專利名稱：導(dǎo)電聚合物材料和它們的制造方法和用途的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求了2001年1月23日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)60/263,386的優(yōu)先權(quán)。這一臨時(shí)專利申請(qǐng)被全部引入這里供參考。
本發(fā)明的背景本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及導(dǎo)電聚合物材料，和涉及具有有機(jī)離子，摻雜劑和溶劑化的自由電子的導(dǎo)電聚合物材料。本發(fā)明還涉及用于微電子學(xué)，光學(xué)電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中的導(dǎo)電聚合物材料。
相關(guān)技術(shù)的敘述導(dǎo)電體在現(xiàn)代技術(shù)的許多方面起著重要的作用。在計(jì)算機(jī)中的技術(shù)進(jìn)步依賴于具有低電阻的導(dǎo)體。為了讓電流穿過導(dǎo)體所需要的能量與電阻有關(guān)。為了維持操作溫度，電阻的能量損耗(包括熱量在內(nèi))必須通過含有導(dǎo)體的設(shè)備來散逸。為了最大程度地減少所需要的能量和所需的能量耗散，需要提供具有非常高的導(dǎo)電性和低電阻的導(dǎo)體。因?yàn)樵S多應(yīng)用是在接近室溫的溫度下進(jìn)行，因此尤其希望提供在接近室溫下具有非常高的導(dǎo)電性的導(dǎo)體。
金屬和金屬合金在包括半導(dǎo)體應(yīng)用在內(nèi)的許多應(yīng)用中廣泛用作導(dǎo)電體。金屬導(dǎo)體的特征在于在金屬和其它原子之間沒有化學(xué)鍵的晶格的存在。金屬和合金具有足夠低的電阻和足夠高的導(dǎo)電率(約106S/cm)而可以用于許多應(yīng)用中。然而，這些材料的電阻是足夠的高以致于為它們的操作而需要較多的能量，并且它們的應(yīng)用導(dǎo)致相當(dāng)大的功率損失。
在導(dǎo)電上的主要進(jìn)步是由于Onnes在1911年的發(fā)現(xiàn)所引起，即低于某一臨界溫度，某些金屬能夠變成超導(dǎo)體，即具有接近于零的對(duì)直流電(DC)的電阻。低電阻與大于約106S/cm的導(dǎo)電率有關(guān)。不幸地是，大多數(shù)的金屬的臨界溫度是極低的，典型地為幾個(gè)開氏溫度(K)。這一低溫要求嚴(yán)重地限制了對(duì)于室溫應(yīng)用而言的金屬超導(dǎo)體的應(yīng)用。
另一個(gè)重要的進(jìn)步是在1987年的發(fā)現(xiàn)，即某些氧化陶瓷能夠在低于約100K的臨界溫度下變成超導(dǎo)體。雖然氧化陶瓷超導(dǎo)體的臨界溫度顯著高于金屬導(dǎo)體的臨界溫度，但是這些溫度是如此的低，以致于使室溫應(yīng)用變得昂貴和困難。
美國專利No4,325,795(全部引入這里供參考)公開了制造方法和由大于10wt％的懸浮于環(huán)氧樹脂(介電聚合物)中的粉末鉍金屬組成的材料。
在這一方法中，該鉍和環(huán)氧樹脂形成了具有在約10埃至約1000埃之間的直徑的細(xì)小絲。在室溫下細(xì)絲的導(dǎo)電率超過金屬的導(dǎo)電率(即，106S/cm)。
W.A.Little(Physical Reviews 134A1416(1964)，被全部引入這里供參考)的理論分析，提供了具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)性多共軛聚合物的形成的基礎(chǔ)理論。Little的理論已經(jīng)導(dǎo)致了包括聚乙炔在內(nèi)的某些高導(dǎo)電性聚合物體系的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)摻雜時(shí)，聚乙炔能夠顯示接近于金屬的導(dǎo)電率(即，約105S/cm)。另一種類型的高導(dǎo)電性聚合物是由Grigorov等人所發(fā)現(xiàn)(Polymer Science35(11)1625-1633(1993)，被全部引入這里供參考)。這些聚合物包括無摻雜的氧化無規(guī)立構(gòu)聚丙烯和聚二甲基硅氧烷，據(jù)報(bào)道它們提供具有大于1011S/cm的導(dǎo)電率的結(jié)構(gòu)體。
美國專利No5,777,292(被全部引入這里供參考)公開了含有具有高于106S/cm的導(dǎo)電率的導(dǎo)電性線的有機(jī)大分子基質(zhì)。
附圖的簡述本發(fā)明將參考它們的具體的實(shí)施方案來描述。本發(fā)明的其它目的，特征，和優(yōu)點(diǎn)在參考說明書和附圖之后變得十分清楚，其中
圖1描繪了本發(fā)明的超極化子。
圖2描繪了在納米電路中的本發(fā)明的超極化子。
圖3描繪了作為微細(xì)線來構(gòu)造的本發(fā)明的一束超極化子。
圖4描繪了密閉的導(dǎo)電性環(huán)路形式的本發(fā)明的圓形超極化子。
圖5描繪了在含有所連接的元件或體系的電路中本發(fā)明的超極化子?？p隙d表示了在超極化子和金屬接觸(遮蔽元件)之間的介電性縫隙。
圖6描繪了具有在約1nm范圍內(nèi)的縫隙尺寸的在圖5中所描繪的電路所典型具有的電壓/電流(J/V)曲線。
圖7描繪了具有在約1.5-2nm范圍內(nèi)的縫隙尺寸的在圖5中所描繪的電路所典型具有的電壓/電流(J/V)曲線。
圖8描繪了包括兩個(gè)超極化子的并描述了入射的電磁光子hω的本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換器。
圖9描繪了在圖8中所描述的本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換器的能量圖譜。
圖10描繪了本發(fā)明的高感應(yīng)元件，它包括有電子流在其中流動(dòng)的線性超極化子，和具有在其中被磁場(chǎng)所誘導(dǎo)的電流的圓形超極化子，而該磁場(chǎng)是由線性超極化子中的電流所誘導(dǎo)。
圖11描繪了在圖10所描繪的高感應(yīng)元件的超極化子中在磁通量和感應(yīng)電流之間的關(guān)系。
圖12a-12b描繪了在本發(fā)明的圓形超極化子中在持續(xù)的電流的產(chǎn)生中的各步驟。
圖12a描繪了一個(gè)階段，在該階段中圓形的超極化子不是完全的和在線性超極化子中的電流會(huì)在不完全的圓形超極化子內(nèi)誘導(dǎo)磁場(chǎng)。
圖12b描繪了在完成該圓形超極化子之后在本發(fā)明的超極化子中在持續(xù)的電流的產(chǎn)生中的一個(gè)階段。
圖13描繪了包括超極化子納米電線和柵電極的本發(fā)明的場(chǎng)控轉(zhuǎn)換器(switch)。
圖14a和14b描繪了在圖13中所描繪的場(chǎng)控轉(zhuǎn)換器的兩種狀態(tài)。
圖14a描繪了一種狀態(tài)，在該狀態(tài)中低電位“隆起塊”沒有分開在圖13中所描繪的超極化子，并且因此沒有提供阻止電流流動(dòng)的障礙。
圖14b描繪了一種狀態(tài)，在該狀態(tài)中高電位“隆起塊”足夠?qū)⒃趫D13中所描繪的超極化子分離成兩個(gè)較小的超極化子，并且因此提供阻止電流流動(dòng)的障礙。
圖15描繪了在門信號(hào)與流過在圖13中所描繪的本發(fā)明的場(chǎng)控轉(zhuǎn)換器的輸出電流之間的關(guān)系。
圖16a-16d描繪了在本發(fā)明的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)的電磁元件中產(chǎn)生邏輯狀態(tài)的各個(gè)步驟。圖16a描繪了具有兩個(gè)接觸點(diǎn)和柵門(G1)的線性超極化子，和具有柵門(G2)的圓形超極化子。在圓形的超極化子中沒有電流，并且這一條件能夠被認(rèn)為是邏輯狀態(tài)0。圖16b描繪了不完全圓形的超極化子，其中在線性超極化子中的電流產(chǎn)生了磁場(chǎng)。圖16c描繪了具有完全圓形的超極化子的在圖16a中所描繪的元件。
圖16d描繪如圖16c中所描繪的元件，但是在線性超極化子中的線性電流關(guān)閉之后，導(dǎo)致在圓形的超極化子中有持續(xù)電流。這一狀態(tài)能夠被認(rèn)為是邏輯狀態(tài)1。
圖17a和17b分別描繪了本發(fā)明的“和(AND)”邏輯塊和“或(OR)”邏輯塊。
圖18a和18b描繪本發(fā)明的三元的邏輯元件。
圖18a描繪了在已經(jīng)被寫之后的三元元件，其中在圓形的超極化子中產(chǎn)生了在一個(gè)方向上的持續(xù)電流。這一狀態(tài)能夠被認(rèn)為是邏輯狀態(tài)+1。
圖18b描繪了如圖18a中所描繪的三元邏輯元件，但是其中在圓形的超極化子中的持續(xù)電流處于與圖18a中所描繪的相反的方向上。這一狀態(tài)能夠被認(rèn)為是邏輯狀態(tài)-1。
圖19描繪了具有多層的RAM池的本發(fā)明的多層處理器。
圖20描繪了來自圖19中所描繪的本發(fā)明的多層處理器的一層中的電磁脈沖信息的轉(zhuǎn)移。
圖21描繪了本發(fā)明的壓磁單元，它將在附近的圓形超極化子中的兩股持續(xù)圓形電流的磁相互作用轉(zhuǎn)變成在圓形的超極化子之間的力。
圖22描繪了在圖21所描繪的本發(fā)明的兩個(gè)圓形壓磁單元之間聚合物材料的振動(dòng)體積，其中在磁場(chǎng)中的振動(dòng)會(huì)在兩個(gè)圓形超極化子之間的距離中產(chǎn)生振動(dòng)變化。
圖23a和23b描繪了本發(fā)明的準(zhǔn)靜態(tài)的光電轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)狀態(tài)。
圖23a描繪了一種狀態(tài)，其中轉(zhuǎn)換器的下相的密度N高于上相的密度n。密度的差異會(huì)引起電磁輻射的入射束反射回到重介質(zhì)中和沒有光穿過該轉(zhuǎn)換器。
圖23b描繪了一種狀態(tài)，其中上相的密度n已經(jīng)增加到接近下相的密度N。在這一狀態(tài)下，光能夠穿過該轉(zhuǎn)換器。
圖24描繪了在化學(xué)結(jié)構(gòu)部分中和在真空中，在不同狀態(tài)之間電子的電勢(shì)和遷移的關(guān)系。
本發(fā)明的概述本發(fā)明提供了制造方法以及能夠形成聚合物材料，后者構(gòu)成了周圍(milieu)或“基質(zhì)(matrix)”，其中導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)已知為“量子納米電線”。有用的聚合物包括硅氧烷類和有機(jī)聚合物，它們具有能夠形成有機(jī)離子和自由電子的可電離的結(jié)構(gòu)部分。本發(fā)明還包括摻雜劑，其中包括堿金屬如鈉，鉀等等。該基質(zhì)，摻雜劑和可電離的結(jié)構(gòu)部分能夠形成納米尺寸的結(jié)構(gòu)，這里稱作在基質(zhì)中的“超極化子”，它包括溶劑化電子。該溶劑化電子不必緊密地束縛于該分子離子，和因此在接近室溫的溫度下以非常低的電阻率運(yùn)動(dòng)穿過該結(jié)構(gòu)。電子流動(dòng)的電阻能夠低于普通金屬導(dǎo)體的電阻，因此，能夠表征為“高導(dǎo)電性”材料。事實(shí)上，導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)能夠具有比金屬導(dǎo)體的典型值低許多數(shù)量級(jí)的電阻值。
本發(fā)明的量子納米電線能夠提供在諸如微電子學(xué)，光電子學(xué)，生物醫(yī)學(xué)等之類的不同領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，其中在極其有限的空間和能量消耗中的條件中的高性能是主要考慮的因素。另外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的宏觀應(yīng)用能夠提供電動(dòng)機(jī)，電力傳輸，能量存儲(chǔ)，無線電通訊，航天系統(tǒng)和其它設(shè)備的顯著改進(jìn)，它們能夠從極低電阻電流上受益。
因此，在某些實(shí)施方案中，納米尺寸、高導(dǎo)電性的結(jié)構(gòu)可用于制造小的半導(dǎo)體設(shè)備，其中包括晶體管，轉(zhuǎn)換器，二極管等等。在某些其它實(shí)施方案中，穩(wěn)定的、持續(xù)的電流能夠在圓形的納米尺寸結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生。該圓形結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成光學(xué)轉(zhuǎn)換器，壓電設(shè)備，納米尺寸傳感器，三元計(jì)算機(jī)裝置，和光檢測(cè)器的基礎(chǔ)。
本發(fā)明的詳細(xì)說明I聚合物基質(zhì)用于制造本發(fā)明的高度導(dǎo)電性的材料的聚合物理想地以它們的初始狀態(tài)具有某些性能，這些性能能夠促進(jìn)超極化子的形成，如下面所定義。
A聚合物基質(zhì)的分子和結(jié)構(gòu)性能可用于制造本發(fā)明的導(dǎo)電性聚合物的聚合物包括幾種不同的化學(xué)類型。有用的聚合物包括聚(烴)分子鏈，聚(硅氧烷)，聚(脲烷)鏈以及其它聚合物鏈。聚合物基質(zhì)的主要部分的特定的化學(xué)組成是沒有限制的并能夠根據(jù)各具體應(yīng)用的特定的要求來選擇。然而，所希望的是，有用的聚合物，以它們的初始形式，應(yīng)該是良好的介電體和，因此，不屬于共軛(或?qū)щ娦?聚合物的類型。
僅僅舉例而已，能夠制備出包括大分子離子的有機(jī)聚合物。正如這里所使用，該術(shù)語“大分子”是指具有大于約2000原子質(zhì)量單位(“amu”)的分子量的分子。用大分子制得的聚合物基質(zhì)具有比用較小分子量物質(zhì)制得的基質(zhì)更高的粘度。
在本發(fā)明的其它實(shí)施方案中，小的有機(jī)分子能用作可電離的物質(zhì)。通過使用低分子量材料，所獲得基質(zhì)的粘度能夠是較低的，即，更容易流動(dòng)。
在本發(fā)明的其它實(shí)施方案中，能夠選擇包括內(nèi)消旋配合基團(tuán)(mesogenic)的聚合物，提供液晶形式，其中在容易流動(dòng)的基質(zhì)中有一定順序。能夠認(rèn)識(shí)到可以使用不同類型的聚合物材料的結(jié)合物，它們提供令人想望的物理和/或化學(xué)性質(zhì)。不考慮所期望的物理和/或化學(xué)性質(zhì)，而通過使用分子離子、雙極子和/或摻雜劑，能夠制造出具有量子納米電線的聚合物材料。
聚合物的幾個(gè)特征能夠確定，它們可提供為了導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)的形成所需要的物理性能。
1.所希望的是，聚合物基質(zhì)是無定形的或具有較低水平的總體或本體結(jié)晶度。當(dāng)高于它們的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)時(shí)，無定形的材料能夠提供彈性基質(zhì)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是化學(xué)設(shè)計(jì)的函數(shù)并且典型地能夠在約-100℃和約+180℃之間進(jìn)行選擇。在溫度T＞Tg下，此類聚合物基質(zhì)允許在基質(zhì)內(nèi)各元素的活動(dòng)性，這是導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)的自組織所需要的。
2.聚合物令人想望地含有一定量的具有偶極矩的化學(xué)基團(tuán)。這些化學(xué)基團(tuán)的高活動(dòng)性，當(dāng)在無定形聚合物基質(zhì)中時(shí)，能夠?yàn)檫@些基團(tuán)提供一種將電荷加以溶劑化的能力，然后穩(wěn)定地分離開它們。這在概念上類似于鹽例如NaCl在水中的溶解。極性水分子將Na和Cl離子(分別具有正負(fù)電荷)溶劑化，因此離子在溶液中變成游離狀態(tài)。
3.聚合物令人想望地應(yīng)該含有一定濃度的特定化學(xué)結(jié)構(gòu)，它們能夠相對(duì)容易地?fù)p失電子，形成正的分子離子。該分子離子能夠以化學(xué)方式連接于聚合鏈上并能夠借助于由聚合物中的移動(dòng)性偶極子基團(tuán)所形成的溶劑化殼來穩(wěn)定化。因?yàn)檎麄€(gè)體系保持電中性，穩(wěn)定的正離子的形成會(huì)導(dǎo)致自由電子被偶極子基團(tuán)的立即顯露和溶劑化。該溶劑化電子(偶極子殼和所捕獲的負(fù)電荷)在這里被稱作“游離極化子”。
全部三種組分，即游離極化子、穩(wěn)定的離子和用聚合物分子鏈所鍵接的偶極子基團(tuán)積極地參與被稱作超極化子的特定的量子機(jī)械結(jié)構(gòu)的后續(xù)形成。
在本發(fā)明的的某些實(shí)施方案中，摻雜劑被加入到聚合物基質(zhì)中。摻雜劑能夠包括堿金屬如鈉，鉀等等。當(dāng)被加入到含有可電離的結(jié)構(gòu)部分和偶極子的基質(zhì)中時(shí)，該金屬會(huì)溶解并與該偶極子和可電離的基團(tuán)形成配合物。當(dāng)可離子化的結(jié)構(gòu)部分變成離子化時(shí)，該金屬原子能夠參與該偶極子和分子離子的穩(wěn)定化，因此形成了更穩(wěn)定的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)，量子納米電線。在這些實(shí)施方案中，該金屬原子變成了該結(jié)構(gòu)的一部分，是超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性質(zhì)的所在。
B聚合物的機(jī)械和物理性能所希望的是，以上所提及的化學(xué)偶極子和離子結(jié)構(gòu)部分的濃度低于單體在聚合物鏈中的濃度。尤其令人想望的是，偶極子基團(tuán)的濃度比單體濃度低大約10倍到大約100倍。也尤其令人想望的是，可電離的基團(tuán)的濃度比單體在聚合物鏈中的濃度低大約1000倍。提供這些較低濃度的偶極子和離子結(jié)構(gòu)部分意味著被引入該基質(zhì)中的摻雜劑不必要處于如此高的濃度下以致于可以改變聚合物基質(zhì)的所希望的物理特性。
所希望的是，聚合物材料在從近紅外區(qū)中的約3.2μm到在可見區(qū)中的至少約0.55-0.6μm的較寬波長范圍中是光學(xué)透明的。在短波長下的光學(xué)透明度的限制取決于給定類型的聚合物的特定化學(xué)組成并能夠根據(jù)技術(shù)要求來選擇。一些令人想望的材料能夠具有至多到達(dá)遠(yuǎn)UV區(qū)的光學(xué)透明度的窗口。
在某些實(shí)施方案中，也希望折射指數(shù)接近于約1.4-1.5。在某些其它實(shí)施方案中，希望至多在約0.2至約1MV/cm范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)度下聚合物基質(zhì)是良好電絕緣體。
在高于Tg的溫度下，無定形聚合物的基質(zhì)處于被稱作“高彈性狀態(tài)”(“HES”)的一種狀態(tài)下，它體現(xiàn)的聚合物特征在于約0.1至約10Kg/cm2范圍內(nèi)的低楊氏模量(“Y”)，這里稱作“Ypol”。這一范圍是比大約106Kg/cm2的常規(guī)金屬(“Ymet”)或玻璃的典型楊氏模量低大約六個(gè)數(shù)量級(jí)。
在某些實(shí)施方案中，希望材料的密度是在約0.8至約1g/cm3范圍內(nèi)。高彈性與高的自由體積分?jǐn)?shù)(典型的是在HES下無定形聚合物的約10％)的結(jié)合，該密度甚至在低的機(jī)械應(yīng)力下能夠容易地改變而提升10％。
在HES下聚合物的特性是，高于它們的Tg，它們能夠?qū)⒏邚椥耘c作為粘性液體來流動(dòng)的能力相結(jié)合，只要該基質(zhì)不是交聯(lián)的。這一性能能夠允許顯著的宏觀或局部的結(jié)構(gòu)重組被相當(dāng)?shù)偷牧λ刂?。結(jié)果，對(duì)于由在聚合物基質(zhì)內(nèi)在分開的電荷之間的庫倫相互作用所引起的內(nèi)部局部張力，該相互作用能夠變成內(nèi)部自組織的主要驅(qū)動(dòng)力。
這還意味著，如果需要，利用高于或低于Tg的局部溫度的簡單變化或利用聚合物基質(zhì)的局部交聯(lián)，可以在任何點(diǎn)上接通內(nèi)部自組織和/或停止它們。
II超極化子和量子納米電線一旦選擇根據(jù)以上I節(jié)的聚合物材料，游離極化子、偶極子基團(tuán)和正離子被隨機(jī)地分布于該基質(zhì)中。特別令人想望的特征是，在一定條件下這些元件開始了結(jié)構(gòu)自組織，導(dǎo)致了被稱作超極化子的短的量子納米電線(約0.03μm到約10μm的典型長度和在約0.003μm至約0.005nm范圍內(nèi)的直徑)的形成。超極化子，用圖解法在圖1中描繪，是量子導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)的基本元件。該量子結(jié)構(gòu)粗略地呈現(xiàn)圓柱形和包括幾個(gè)組分。
首先，在粘性基質(zhì)中的游離極化子能夠運(yùn)動(dòng)并能夠彼此結(jié)合，逐漸地形成了被離子和極化的偶極子殼所包圍的薄的導(dǎo)電性“電子線”，如圖1中所示。參與到超極化子的形成中的該離子和偶極子附屬于無規(guī)取向的聚合物鏈上，它們限制了該離子和偶極子的活動(dòng)性。因此，在自組織結(jié)束之后，全部離子和偶極子基團(tuán)的位置將因?yàn)榛|(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度而被固定，并且可以變化，只要施加于整個(gè)結(jié)構(gòu)上的外力超過這一強(qiáng)度就行。
沿著超極化子的中心軸所濃縮的電子是自由的并且不被聚合物分子所限制。根據(jù)量子機(jī)械定律，這些電子能夠持續(xù)地從超極化子的一端到另一端來回運(yùn)動(dòng)。這將超極化子的導(dǎo)電性“線”區(qū)分于共軛聚合物，其中自由電子能夠容易地在分子鏈內(nèi)攜帶電流，但是僅僅通過在分子鏈之間的“跳躍”而從一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)至另一個(gè)分子。
如圖1中所描繪，這一基本超極化子看起來象微型的圓筒形電容器，其中離子形成了外部正性殼，電子形成了內(nèi)部負(fù)性“線”，沿徑向所取向的偶極子基團(tuán)(箭頭)用作在正(+)和負(fù)(-)電荷之間的絕緣體。根據(jù)一種理論，此類結(jié)構(gòu)的形成純粹地是量子機(jī)械途徑并且不能以簡化的經(jīng)典術(shù)語來理解。
所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與量子理倫一致并確定了超極化子的幾個(gè)電子性能和磁性能。
1電子性能本發(fā)明的聚合物基質(zhì)和超導(dǎo)性超極化子能夠具有想望的電子性能和磁性能。尤其令人想望的電性質(zhì)包括高電導(dǎo)率，與溫度相對(duì)地?zé)o關(guān)。因此，在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，該量子納米電線能夠在接近室溫下是超導(dǎo)體。
i.超極化子的“電子線”是電流的理想導(dǎo)體，如果金屬電極用它的端線連接并施加一些低壓V(參見圖2)。圖2描繪了含有超極化子，金屬接觸點(diǎn)(陰影面積)，電壓源(V)，電阻器(R)和檢流器(A)的完整電路。通過施加電壓，最高的(“臨界的”)電流，Jc，估計(jì)是大約10μA/線。對(duì)于具有約3-5nm的直徑的超極化子，該電流對(duì)應(yīng)于接近或高于108A/cm2的載流容量。
ii.超極化子的導(dǎo)電性能被發(fā)現(xiàn)在大約1K到大約700K的寬溫度范圍內(nèi)是與溫度無關(guān)的，和超極化子的導(dǎo)電率與高達(dá)至少H＝90KGauss(在約4.2K的溫度下)的外加磁場(chǎng)無關(guān)。
iii.由不同方法在電流J＜Jc下所測(cè)量的超極化子的比導(dǎo)電率是技術(shù)上無窮大。例如，比導(dǎo)電率能夠超過1011S/cm，如果它由電方法評(píng)測(cè)的話，以及是至少1021S/cm，如果比導(dǎo)電率是由磁方法評(píng)測(cè)的話。因此，“電子線”的導(dǎo)電率比銅或銀的導(dǎo)電率高至少5個(gè)數(shù)量級(jí)，并且在某些實(shí)施方案中能夠高15個(gè)數(shù)量級(jí)。
iv.提高該電流J到高于Jc(“臨界”電流)引起快速(＜10-8s)轉(zhuǎn)變到高電阻狀態(tài)。取決于外部條件，這一轉(zhuǎn)變能夠同時(shí)以可逆和不可逆方式觀察到。
v.超極化子的導(dǎo)電率與在0MHz到大約400MHz的頻率范圍內(nèi)的頻率無關(guān)。
vi.電導(dǎo)性中所牽涉到的電子實(shí)際上不參與熱傳遞。在實(shí)驗(yàn)中這會(huì)導(dǎo)致威德曼-弗朗茲定律(Wiedemann-Franz law)有至少7個(gè)數(shù)量級(jí)的違反(violation)。
vii.在J＜Jc下超極化子的無限大的導(dǎo)電率導(dǎo)致零熱電動(dòng)勢(shì)(zerothermopower)。這在寬的溫度范圍內(nèi)導(dǎo)致低于大約1μV/K的塞貝克系數(shù)S。
viii.對(duì)于“電子線”與由正常金屬制成的電極接觸的情況，觀察到了一些接觸電阻(“Rcont”)，它是由電子線和金屬之間的電荷載體的隧道所控制。這導(dǎo)致了伏安(J-V)特性的非線性。隧道位壘的性能的變化能夠引起JV曲線的相應(yīng)轉(zhuǎn)變。
ix.低溫實(shí)驗(yàn)已顯示，對(duì)于在電子線和超導(dǎo)電極之間有接觸的情況，所獲得的J-V曲線顯示了特定的獨(dú)特性，這些獨(dú)特性對(duì)于在被隧道位壘所分開的兩個(gè)超導(dǎo)體之間的約瑟夫遜(Josephson)接觸是典型的。
x.在自組織過程中，如果它們沒有被較大的距離分開，超極化子能夠彼此結(jié)合而形成穩(wěn)定的導(dǎo)電性陣列或束(圖3)，具有大約1-3μm的直徑，它在這里被稱作“微細(xì)線(microwire)”。
2磁性能除上面描述的電性質(zhì)之外，本發(fā)明的的電子線能夠具有令人想望的磁性能。因?yàn)橐恍┐判阅芘c具有超導(dǎo)性的結(jié)構(gòu)有關(guān)，在實(shí)踐中，電性質(zhì)能夠通過使用聚合物的磁性能的觀察結(jié)果來估測(cè)。
i.與量子論的預(yù)測(cè)一致，在實(shí)驗(yàn)上表明，超極化子的傳導(dǎo)電子是在特定的磁路結(jié)構(gòu)中，后者在這里被稱作“鐵磁疇”。在鐵磁疇中，該電子進(jìn)行排列，使得電子自旋是在相同的方向上。這些疇對(duì)應(yīng)于非常弱的或“軟的鐵磁體”，因?yàn)樗鼈兊某C頑力低于大約50高斯，和在某些實(shí)施方案中能夠接近零。
ii.在微細(xì)線的形成過程中，在相鄰超極化子之間的距離變得更小(參見圖3)和在它們之間的磁相互作用變得十分突出。在這一階段中微細(xì)線表明了從鐵磁性到反鐵磁性順序的自發(fā)躍遷的趨勢(shì)。在這一中間階段中施加的外加磁場(chǎng)能夠反轉(zhuǎn)這一趨勢(shì)并引起轉(zhuǎn)變回到鐵磁性狀態(tài)。
對(duì)應(yīng)于這一轉(zhuǎn)變的場(chǎng)強(qiáng)度取決于在超極化子之間的距離并能夠從幾百高斯(Gauss)到至少2特斯拉(Tesla)來變化。
有利的磁性能能夠在某些實(shí)驗(yàn)條件下出現(xiàn)，當(dāng)增長的超極化子形成導(dǎo)電性閉環(huán)時(shí)，如圖4中所示。在該閉環(huán)中，在內(nèi)部中的偶極子沿著徑向向外取向，而在外部中的偶極子沿著徑向向內(nèi)取向。
此類閉環(huán)能夠具有極高的導(dǎo)電率，因此能夠發(fā)揮理想的抗磁性作用，防止在環(huán)路的區(qū)域中磁通量的任何變化。因此，外部磁場(chǎng)的變化能夠在該閉環(huán)中誘發(fā)持續(xù)電流，和在這種情況下，該環(huán)路能夠變成永久磁鐵。該磁鐵的強(qiáng)度僅僅由環(huán)路的尺寸和由Jc的值來限制。閉環(huán)超極化子的再一個(gè)獨(dú)特性是，由于環(huán)路的微觀尺寸，它的電流和磁矩不能逐漸地變化和應(yīng)該由一些離散的值來定量。
3超導(dǎo)的超極化子的應(yīng)用本發(fā)明的超導(dǎo)性的超極化子能夠具有很多的應(yīng)用。例如，具有長度1微米的僅僅1010個(gè)元件的平行陣列各自提供了長度長至10千米的超導(dǎo)線。該聚合物線是自我絕緣的，具有低于或大約10微米的直徑，并且能夠攜帶至多50安培的電流，但在-273℃到大約+200℃的溫度范圍中基本上沒有能量損失。顯著的特征是，該線能夠從僅僅大約1cm3的聚合物材料制造，并且它的重量沒有超過1克。
在環(huán)境溫度下沒有電阻的電線的出現(xiàn)能夠改進(jìn)該效率和降低電氣工業(yè)的成本。下面描述這些優(yōu)點(diǎn)中的一些。
1.在發(fā)電、傳輸和消費(fèi)中能量損失的減少等同于每年節(jié)約了數(shù)百萬桶的原油。這些的工業(yè)和生態(tài)影響是明顯的并且在文獻(xiàn)中充分描述的。
2.巨大的或分配的儲(chǔ)能系統(tǒng)(用持續(xù)電流充電的電磁線圈)可以用來避免在電力消費(fèi)中的峰值過載和白天-黑夜不規(guī)則性。
3.在電力傳輸中，不再需要該電壓從低壓轉(zhuǎn)變到高壓和回到低壓，這是歸因于電阻損耗的不存在。代替現(xiàn)在懸掛在空中的高壓電力線，可以使用低壓地下管線。
4.這一低壓電能夠直接在消費(fèi)者之間分配，無需使用中間變壓器。
5.考慮到以上#3點(diǎn)，代替供選擇的高壓電流，新的發(fā)電廠能夠僅僅生產(chǎn)低壓直流電(DC)，因?yàn)殡娏鬏斨绷麟娍杀苊怆娙輷p耗和提供許多其它技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
6.今天已老化的電力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)能夠在超導(dǎo)線周圍構(gòu)建，其中包括高效率直流電動(dòng)機(jī)，電力轉(zhuǎn)換器，各種的電器，低體積和大容量磁能存儲(chǔ)器設(shè)備(蓄電池)，用于電力輸送和通信系統(tǒng)兩者的不同電纜，等等。
III基于超極化子的微電子元件在某些設(shè)備中，電器能夠從兩種不同類型的基本元件的給定組合來構(gòu)建1)無源的兩-點(diǎn)元件；2)具有至少三點(diǎn)的有源元件。無源元件包括導(dǎo)電性超極化子，用于引發(fā)電流的流動(dòng)、產(chǎn)生磁場(chǎng)、在鄰近結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)電流的金屬接觸點(diǎn)，和其它相對(duì)簡單的元件。有源元件包括能夠彼此相互作用以便將能量從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式的無源元件的組合，例如，壓電器件，光學(xué)轉(zhuǎn)換器，機(jī)械傳感器，和邏輯設(shè)備。
A無源元件第一組的無源元件使用一些設(shè)計(jì)，其中包括在圖5中所描繪的那些。圖5描繪了具有正(+)和負(fù)(-)電荷的超極化子，偶極子(箭頭)，金屬接觸點(diǎn)(陰影面積)，電壓源(V)，電阻器(包括接觸電阻(Rcont))和連接元件或體系(以橢圓形示出)。單個(gè)超極化子(或另外，微細(xì)線)被放置在兩個(gè)金屬電極之間，在超極化子的端部和一個(gè)電極之間有介電縫隙d。超極化子或微細(xì)線的寬度(D)是在大約5nm到大約1μm之間。
對(duì)于由常規(guī)金屬制成的電極，在圖5中示出的接觸電阻Rcont總是存在并且取決于金屬比電阻Pm，接觸直徑D，和與縫隙(d)有關(guān)的介電系數(shù)β(d)，后者反映了以隧道方式穿過該縫隙的效率。由任何常規(guī)金屬制成的電極總是提供具有直徑D的接觸面積的接觸電阻Rcont的兩個(gè)主要分量。第一個(gè)分量直接定域在金屬的相鄰圓錐形空間中。第一個(gè)分量僅僅取決于金屬比電阻Pm和接觸直徑D的倒數(shù)，并可以如下近似計(jì)算R1=ρmD.]]>第二分量適用于任何常規(guī)金屬。與給定的區(qū)域面積和給定的窄能帶有關(guān)的電子流動(dòng)是根據(jù)費(fèi)密分布(Fermi distribution)來限制的。
這一分量能夠從接近費(fèi)密能量EF的電子狀態(tài)的已知密度來估測(cè)dndE=28mπ2h32mE]]>其中第一系數(shù)2應(yīng)歸因于兩個(gè)電子自旋方向都要考慮。如果電流流過具有面積πD2/4的隔膜并跨越該隔膜施加小的電壓V，則僅僅這些電子能夠貫穿該隔膜面積，它們的能量集中在EF附近的窄帶eV中，其中 其中應(yīng)該在π球面角度的全部角度中取平均值。這導(dǎo)致了電流和隔膜電阻Rdia能夠表示為Rdia=VJ=πh32e3mEF1D2]]>如果牽涉到穿過隔膜的隧道效應(yīng)并且由于低的隧道效應(yīng)概率使得它的有源部分變窄β(d)＜1倍，則電流的一部分被反映出來和電阻會(huì)提高。因此，最終的表達(dá)，考慮到兩個(gè)分量，能夠表達(dá)為
Rcont=R1+R2=ρmD+πh32e2mEF1D2β(d)]]>為了實(shí)踐的目的，這一公式能夠簡化為Rcont=R1+R2=ρmD+3·10-12Ohm·cm22D2β(d)]]>因此，第二術(shù)語在非常小的接觸直徑(其中D＜＜100nm)下或在極低隧道效應(yīng)概率(其中β(d)＜＜1)的情況下變得十分重要或甚至占支配地位。
對(duì)于元件的導(dǎo)電率通過以隧道方式穿過縫隙的方式來控制的情況，導(dǎo)電率主要取決于d的值。可使幾個(gè)不同元件利用這一情形的優(yōu)點(diǎn)。
1具有低于約0.1nm的距離d的元件在縫隙d低于大約0.1nm的情形下，該元件可用作簡單的納米電線而用于電力或信號(hào)傳送的電連接器。因?yàn)閐是低的，該電阻Rcont非常接近于零。
該元件的電流-電壓曲線是具有良好精確度的線性曲線。該納米電線的直徑能夠小到5nm，并且能夠攜帶電流低于大約10μA的小功率信號(hào)。將直徑提高到大約5μm能夠提供高達(dá)約20到約30A的較高電流脈沖。
同一元件可以用作不可逆的限流器或“保險(xiǎn)絲(fuse)”以防止高于約4到約50A的破壞性電流。該限流器的瞬變時(shí)間不超過約10-8s。
2具有在約0.5nm至約1nm范圍內(nèi)的距離d的元件具有在大約0.5nm和大約1nm之間的縫隙尺寸d的元件能夠用作傳輸中等電力DC或AC電流(大約10mA的J)與可逆限流器的結(jié)合體(combination)，該限流器用于保護(hù)電路以抵抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Jc的電流。圖6描繪了對(duì)于縫隙d在約0.5nm至約1nm范圍內(nèi)的納米電線，在電壓V和電流J之間的關(guān)系。d和D的大小決定了在-Vc和Vc之間電壓范圍內(nèi)，在圖6中所示的曲線的線性部分的斜率。這一關(guān)系使得該元件可用作在1-10,000歐姆范圍內(nèi)的可變電阻器。
另外，考慮J-V曲線在Vc處的急劇彎折(sharp break)，相同的元件能用作電流穩(wěn)定器。
3具有在約1.5nm至約2nm范圍內(nèi)的距離d的元件在大約1.5nm到大約2nm之間的范圍內(nèi)，隧道效應(yīng)變得如此小β(d)＜＜1以致于J-V特性具有與以上圖6中所說明的屬性根本上不同的屬性，如圖7所示。對(duì)于這一類型的元件，J-V曲線的線性部分對(duì)應(yīng)于較高的電阻。
圖7描繪了具有在大約1.5nm和大約2nm之間的d值的無源元件的伏安關(guān)系。在低于-Vc和高于Vc的電壓下，在所施加電壓V和所產(chǎn)生的電流J之間有線性關(guān)系。然而，在稍高于-Vc的電壓下，在電流中有突變，其中隨著V回到Vc，電流會(huì)下降。從-Vc到Vc，電流沒有流動(dòng)，但在Vc處，電流增大，并且隨著V進(jìn)一步增大，電流以線性方式增加。
因此，具有J-V關(guān)系的元件能夠用于小功率信號(hào)轉(zhuǎn)移，它由幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)(advantages)所增強(qiáng)。具有這一類型的J-V關(guān)系的元件能夠在微電子領(lǐng)域中用作具有高于約10,000歐姆的高電阻的小功率納米電線或非線性電阻器，與低壓噪聲抑制器或信號(hào)鑒別器相結(jié)合。
這一類型的元件的附加性能歸因于較高電壓范圍0.3-6V與電阻性質(zhì)的特異性兩者的結(jié)合，該特異性是在電子以隧道方式貫穿該縫隙的過程中出現(xiàn)?？紤]到金屬中電子能譜的特性，該電壓降V會(huì)引起，而不是生熱，在近IR到遠(yuǎn)UV波長的寬光譜區(qū)中光量子的發(fā)射。
這一特性意味著這些元件能夠用作從電子信號(hào)到光的納米級(jí)廣譜光電轉(zhuǎn)換器。由于在微觀水平上這些過程的可逆性，相同的元件可以用作光電接收器和從光到電子信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。
4單頻的光電轉(zhuǎn)換器與以超極化子-金屬接觸點(diǎn)為基礎(chǔ)的以上的先前元件No 3對(duì)比和在寬的波長范圍內(nèi)提供非選擇性的光電轉(zhuǎn)變“信號(hào)-到-光”和“光-到-信號(hào)”，稍不同的元件能夠以具有光-電轉(zhuǎn)變的高選擇性的超極化子-超極化子隧道接觸(圖8)的性能為基礎(chǔ)。
圖8描繪了用寬的波長范圍內(nèi)的單頻量子來操作的可調(diào)式光電轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)超極化子同軸地校直而形成雙超極化子，而金屬接觸點(diǎn)(陰影面積)位于雙超極化子的相對(duì)兩端。該縫隙d是單個(gè)超極化子的縫隙的兩倍，而光量子hw被顯示撞擊在該縫隙上。該概念是以超極化子的量子獨(dú)特性為基礎(chǔ)的，其中全部的自由電子是成對(duì)的并且在同一能量級(jí)上凍結(jié)(condensed)，與理論預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果兩者一致的一個(gè)特性。
如果外加電壓V被施加于含有兩個(gè)超極化子的隧道接觸的在圖8中所示的體系中，則光吸收和發(fā)射是由圖9中所描繪的能級(jí)圖來說明。圖9描繪了電信號(hào)的產(chǎn)生的過程，電信號(hào)的產(chǎn)生歸因于光的量子的吸收，或施加于雙超極化子上的電能轉(zhuǎn)化成發(fā)射光的量子的轉(zhuǎn)化。該金屬接觸點(diǎn)在它們之間具有外加電壓eV。入射的量子(“光吸收”)會(huì)升高在超極化子之間的能級(jí)。發(fā)射的量子(“光發(fā)射”)具有取決于電壓V的能量，它具有非零的值，歸因于在超極化子之間的勢(shì)能壘。
從量子機(jī)械觀點(diǎn)看，該體系類似于在V0＝Δ/e下的眾所周知的約瑟夫遜接觸(“JC”)，其中Δ是在被認(rèn)為是超導(dǎo)體的普通低溫材料的譜中的能隙(energetic gap)。該約瑟夫遜接觸能夠發(fā)射出具有特定頻率(ω)ω＝2eV/h的內(nèi)聚性無線電波，其中h是普朗克常數(shù)。這一過程可以反轉(zhuǎn)并且量子被吸收，如果相同頻率無線電波落到該接觸點(diǎn)上。在該情況下，J-V曲線的強(qiáng)烈變化是以所謂菲斯克(Fiske)或夏皮羅(Shapiro)步驟的形式來出現(xiàn)，其中在V和J之間的關(guān)系是以隨著V提高，J的逐步提高為特征的。
因此，普通JC和在圖8中所示的系統(tǒng)的物理性質(zhì)和行為能夠是類似的。同時(shí)，在它們之間有顯著的差異。普通的JC系統(tǒng)僅僅覆蓋微波的非光波段，并且僅僅在非常低的溫度(例如，液氦)下操作，而本發(fā)明的超極化子元件能夠覆蓋整個(gè)光波長范圍并能夠在環(huán)境溫度(即室溫)下操作。
在圖8和9中描繪的元件能夠通過改變?cè)诖蠹s0.1V到低于大約10V范圍內(nèi)的外加電壓V，對(duì)于具有從近IR到遠(yuǎn)UV的波長的任何單頻量子以毫微秒進(jìn)行電子調(diào)節(jié)。另外地，該V能夠在大約0.2V到大約5V的范圍內(nèi)，和在另一個(gè)實(shí)施方案中，還能夠在大約0.3V到大約3V范圍內(nèi)。對(duì)于較小的電壓，光的波長是較長的，和對(duì)于較高的電壓，該光的波長是較短的。3V的電壓能夠產(chǎn)生大約6eV的量子，這對(duì)應(yīng)于在遠(yuǎn)紫外線范圍內(nèi)的大約200nm的波長。
無源元件如以上列舉的那些能夠在兩種信息信號(hào)(即電磁輻射)的任何極性下和在電源的在幾個(gè)伏特范圍內(nèi)的電壓下工作。
該無源元件在高頻率下工作的能力能夠取決于以上所述的典型電阻R和它的容易估測(cè)的電容C。例如，在隧道縫隙d大約1nm下該估測(cè)值沒有超過對(duì)于具有大約1000nm的尺寸D、具有大約104歐姆的電阻R的高功率元件而言大約10-14法拉(“F”)的電容C。對(duì)于此類元件，典型的時(shí)間常數(shù)RC是大約10-10s，這對(duì)應(yīng)于大約2GigaHz的主頻率。
對(duì)于具有大約10nm的尺寸D和高達(dá)約107歐姆的電阻的低功率元件，C和RC的相應(yīng)估測(cè)值分別是大約10-18F和大約10-11s，這對(duì)應(yīng)于大約20GigaHz的主頻率和能夠通過將電阻降低至大約106歐姆而進(jìn)一步提高，高達(dá)200GigaHz。通過進(jìn)一步降低R來進(jìn)一步提高該速度。主頻率的界限能夠是接近大約1015s-1的ω，其中電信號(hào)的波長接近超極化子的尺寸。
5感應(yīng)和長時(shí)記憶電磁元件以上1-4節(jié)描述的一些元件，它們的性能是以超極化子的純粹電特性為基礎(chǔ)的。在本節(jié)中我們考慮引入了電磁特性的一些實(shí)施方案。第一元件能夠具有高感應(yīng)性，并且能夠利用上述的納米電線來構(gòu)造并且以閉環(huán)形式在位置上相對(duì)接近于超極化子(圖10)。
圖10描繪了本發(fā)明的高感應(yīng)元件。左手側(cè)元件是具有兩個(gè)金屬接觸點(diǎn)(陰影面積)的上述線性超極化子。電壓被施加在金屬接觸點(diǎn)之間，因此生產(chǎn)電流Jo。穿過該超極化子的電流會(huì)在超極化子周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)(H)。在右邊的該元件是圓形的超極化子。線性和圓形超極化子兩者都是以磁方式束縛，因?yàn)榕c時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng)H在時(shí)間t由穿過該閉環(huán)的區(qū)域的線性電流J0(t)所產(chǎn)生并誘導(dǎo)環(huán)形電流Jind(t)。該系統(tǒng)能夠在圓形超極化子的磁場(chǎng)中積累主要的能量，和它的感應(yīng)性變得大大高于單個(gè)納米電線的感應(yīng)性。
在圖10中所描繪的具有提高感應(yīng)性的此類元件能夠用于及時(shí)延遲的電信號(hào)的形成，產(chǎn)生高頻發(fā)生器，以及在高感應(yīng)性有用的微電子電路中已知的任何其它應(yīng)用。
在傳統(tǒng)感應(yīng)器和在圖10中所描繪的納米感應(yīng)器的性能之間存在一些特定的量子機(jī)械差異。在該閉環(huán)中的持續(xù)電流Jind(t)能夠涉及沒有穿過該環(huán)路區(qū)域的磁通量量子的數(shù)目。Jind對(duì)于磁通量的依賴性已描繪在圖11中。
圖11描繪了在磁量子，表示為在給定條件下的磁量子()除以在基線狀態(tài)下的磁量子(o)的數(shù)目所獲得的比率/o，和在圓形超極化子中誘導(dǎo)的電流(Jind)之間的關(guān)系。隨著磁量子的數(shù)量的增加，Jind按比例提高。也在圖11中描繪的是臨界電流-Jc和Jc，高于它們，磁量子的數(shù)目的進(jìn)一步增加不會(huì)導(dǎo)致提高的感應(yīng)電流流動(dòng)。
上面描述的感應(yīng)元件允許長期的存儲(chǔ)元件(“LTME”)(圖12)的制造。長期存儲(chǔ)元件是以超導(dǎo)性圓形超極化子長時(shí)間維持感應(yīng)電流的能力為基礎(chǔ)的。在一種類型的實(shí)施方案中，該LTME包括如圖10中所述、但在圓形超極化子的完成之前的元件(圖12a)。為了將邏輯狀態(tài)“1”寫到LTME上，使用下面的步驟1)DC磁場(chǎng)是在左邊元件中被線性電流J0≠0所產(chǎn)生，但是圓形超極化子還沒有最后形成，因此沒有感應(yīng)電流；2)在恒磁場(chǎng)的存在下，閉環(huán)的形成然后得以完成(未顯示)；3)持續(xù)電流Jind≠0是在環(huán)路中由關(guān)閉寫電流J0的同時(shí)在磁場(chǎng)上的變化dH/dt≠0所誘導(dǎo)。在J0＝0處采取的相同步驟導(dǎo)致了零感應(yīng)電流，它意味著邏輯“0”。應(yīng)該指出，Jind是以與圖10不同的相反方向來描繪的。這是因?yàn)閖ind由包圍該線性超極化子的磁場(chǎng)的塌陷(collapse)所誘導(dǎo)。
由于在閉環(huán)中電流的持續(xù)特性，寫入的信息被保存，與線性電流是否再次激發(fā)或電源是否關(guān)閉無關(guān)。
在圖12b中描繪的最終結(jié)構(gòu)的邏輯狀態(tài)能夠利用流過線性超極化子的線性電流J0的施加來讀取。在具有邏輯狀態(tài)“1”的設(shè)備中的感應(yīng)電流是處于它的最大值Jc下，而在具有邏輯狀態(tài)“0”的設(shè)備中的感應(yīng)電流對(duì)應(yīng)于在圖11中描繪的圖上的零點(diǎn)。該邏輯狀態(tài)“0”等于在所施加的電流J0和電壓之間產(chǎn)生一些延遲(或相移)的高感應(yīng)元件的狀態(tài)。相反，對(duì)于邏輯狀態(tài)“1”，在該環(huán)路中的感應(yīng)電流早已具有最大值，因此，在線性超極化子中電流(J0)的施加不會(huì)進(jìn)一步改變Jind。這意指在邏輯狀態(tài)“1”下元件的感應(yīng)性一直低到簡單納米電線的感應(yīng)性并不會(huì)產(chǎn)生延遲。這提供了簡單方法在LTME的兩個(gè)不同的邏輯狀態(tài)之間進(jìn)行電子區(qū)分。
一個(gè)LTME的特征尺寸僅僅受到圓形超極化子的直徑的限制，該直徑能夠在大約500nm到大約1000nm范圍內(nèi)。通過使用磁通量量子Φ0＝2·10-7cm2高斯的已知值，所需要的寫入-讀出電流JO是大約1mA到大約10mA，它適合于上述的元件#2，并且足以產(chǎn)生在大約200高斯至大約2000高斯之間的局部磁場(chǎng)。
B有源元件與無源元件相反，它們的特性是在技術(shù)中固定的并且不能及時(shí)改變，有源元件是更加靈活性的(flexible)；它們能夠具有至少兩種(和，在某些實(shí)施方案中更多種)不同的離散狀態(tài)，這些狀態(tài)能夠及時(shí)地根據(jù)外部電或磁信號(hào)的使用來選擇和變化。此類實(shí)施方案是可能的，因?yàn)樵诩{米電線內(nèi)相干地(coherently)流動(dòng)的電子去改變它們的量子機(jī)械性能和從一種離散狀態(tài)跳躍到另一種離散狀態(tài)的能力，如果它們的環(huán)境，取決于外部電或磁場(chǎng)，及時(shí)改變的話。
下面是僅供說明之用的有源元件的一些實(shí)例。
1場(chǎng)控轉(zhuǎn)換器在這一類型的實(shí)施方案中，有源元件能夠以載流的納米電線為基礎(chǔ)，如果附加的柵電極位于超極化子附近，但與它沒有直接的電接觸。圖13描繪了包括超極化子，金屬接觸點(diǎn)(陰影面積)，電壓源V，連接元件或體系(橢圓形)，和電阻Rc的本發(fā)明的場(chǎng)控轉(zhuǎn)換器。另外，示出了具有寬度L和柵門控制信號(hào)G的柵電極。這一電極的寬度L理想的是大于縫隙d。例如，d能夠在大約0.1nm到大約2nm范圍內(nèi)和L能夠是大約100nm。
該場(chǎng)控轉(zhuǎn)換器的功能被描繪在圖14中。施加于柵電極上的負(fù)的柵門控制電壓G會(huì)在納米電線內(nèi)的電位差上產(chǎn)生局部變化(“隆起塊(bump)”)。局部的隆起塊能夠影響電子行為，這取決于該隆起塊的高度。歸因于在納米電線中電子運(yùn)動(dòng)的量子性質(zhì)，兩種不同的情形都能夠存在，在它們之間有離散的過渡a.低于G0的柵門電壓在這一情形下，該電位“隆起塊”僅僅低于其中超極化子的電荷載流子被冷凝(condensed)的水平(圖14a)。在這一狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)電率僅僅由縫隙尺寸d來控制并且不取決于柵門電壓G，直到電子能夠越過電位壘為止。
b.高于G0的柵門電壓在這一情形中，電位壘超過電荷載流子水平(圖14b)。在這一情況下電子流動(dòng)停止，因?yàn)檫@一寬度L使得甚至以隧道方式緩慢流過該位壘(barrier)變得不太可能。在這一狀態(tài)下，該電子納米電線被中斷并且兩個(gè)更短的、在電子上獨(dú)立的超極化子會(huì)出現(xiàn)，而不是一個(gè)長的初始超極化子。過渡回到以上的導(dǎo)通狀態(tài)a能夠發(fā)生，如果柵門電壓回到低于G0的話。
該納米轉(zhuǎn)換器相似于用于同時(shí)代的半導(dǎo)體微電子學(xué)中的眾所周知的場(chǎng)控晶體管。納米轉(zhuǎn)換器和場(chǎng)控晶體管能夠使用這一類型的元件來制造，并具有小到約100nm的尺寸。
在普通的和本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)轉(zhuǎn)換器之間在功能上有一些重大差別。在普通場(chǎng)控晶體管中的非相干的電子運(yùn)動(dòng)會(huì)在它的開通和關(guān)閉狀態(tài)之間導(dǎo)致相當(dāng)平穩(wěn)的過渡(在圖15中的虛曲線)，但是以納米電線的量子特征為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器表明了至少100次急劇轉(zhuǎn)變(在圖15中的實(shí)曲線)。在圖15中，對(duì)于本發(fā)明的納米轉(zhuǎn)換器(實(shí)曲線)，低于-G0的柵門控制電壓G沒有產(chǎn)生電流J。然而，隨著柵門電壓達(dá)到-G0，該電流J會(huì)隨著電壓而突然地提高。相反，普通的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(虛曲線)具有寬得多的電壓范圍，在該范圍中電流通量會(huì)變化。結(jié)果是，本發(fā)明的納米轉(zhuǎn)換器，當(dāng)用于邏輯電路圖中時(shí)，能夠在轉(zhuǎn)變過程中消耗比常規(guī)場(chǎng)控晶體管低至少大約100倍的能量，并比常規(guī)場(chǎng)控晶體管發(fā)揮作用快至少大約100倍。
2電磁快速隨機(jī)存取存儲(chǔ)設(shè)備柵電極在柵門控制電壓G＞G0時(shí)停止納米電線中的電子流動(dòng)并在G＜G0時(shí)立即恢復(fù)它(電子流動(dòng))的能力使得可以制造出用于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)的電磁元件，它結(jié)合了長時(shí)記憶元件的一些性能與根據(jù)需要寫入這一信息的能力。因?yàn)樵趫A形超極化子中的電流能夠是持續(xù)的，能量消耗得到最大程度地減少，而同時(shí)長時(shí)間保持了所寫入的信息。
僅僅舉例而已，該元件類似于在圖10中描繪的高感應(yīng)元件。在它們之間的一個(gè)功能差異是柵電極G1在線性超極化子附近和G2在圓形超極化子附近的存在。這些RAM元件的所有必需特征是由于設(shè)定這兩個(gè)柵門的電勢(shì)而出現(xiàn)。
圖16a-16d描繪了對(duì)應(yīng)于邏輯狀態(tài)“1”在圓形超極化子中誘導(dǎo)持續(xù)電流所需要的步驟。在圖16a中，邏輯狀態(tài)“0“(甚至在G2＜G0下沒有環(huán)流)是沒有線性電流的起始點(diǎn)，因?yàn)镚1＞G0；2)施加信號(hào)G2＞G0并中斷該環(huán)路(未顯示)；3)線性電流被接通，因?yàn)樵摉趴匦盘?hào)G1＜G0(圖16b)，但在中斷環(huán)路中沒有出現(xiàn)環(huán)流；4)在圖16c中，在磁場(chǎng)存在下因?yàn)镚2＜G0而恢復(fù)了該環(huán)路；5)在圖16d中，柵控信號(hào)G1＞G0停止線性電流，以及磁場(chǎng)的變化會(huì)誘導(dǎo)在圓形超極化子中的持續(xù)電流，邏輯狀態(tài)“1”被固定在相同的柵門電壓G2＜G0和G1＞G0下，因?yàn)樗幱谄鹗键c(diǎn)，如圖16a中所示。
因?yàn)樵诘诙襟E中的信號(hào)G2＞G0中斷該環(huán)路，該環(huán)流將與它的先前狀態(tài)無關(guān)地達(dá)到零值。為了寫入邏輯狀態(tài)“0”，使用類似的順序，唯一差異是在第三步驟中，柵門G1的電壓保持大于G0并且不允許線性電流流動(dòng)。在這種情況下在環(huán)路中不存在持續(xù)電流，和邏輯狀態(tài)“0”被固定。
讀取該RAM元件的狀態(tài)能夠在讀取程序上類似于上述的長時(shí)記憶元件。盡管如此，其它方法可用于讀取該RAM元件的狀態(tài)。
有源元件的尺寸能夠相當(dāng)于或小于在普通半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)的那些尺寸。超極化子型RAM元件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們僅僅在寫-讀過程中需要能量消耗。一旦已誘導(dǎo)，在圓形超極化子中的持續(xù)電流(對(duì)于邏輯狀態(tài)“0”是零和對(duì)于邏輯狀態(tài)“1”是非零)能夠保持相當(dāng)長的時(shí)間，而無需外部能量。其它優(yōu)點(diǎn)包括在高得多的工作頻率下較少能量消耗，和在相鄰元件之間無接觸信息傳輸?shù)哪芰Α?br>
3以具有多柵門控制的轉(zhuǎn)換器或快速存儲(chǔ)元件為基礎(chǔ)的邏輯元件基本單元(轉(zhuǎn)換器和/或快速存儲(chǔ)元件)能夠容易地轉(zhuǎn)變成邏輯塊，如果一個(gè)以上的柵門位于相應(yīng)納米電線附近的話。該邏輯塊的例子描繪在圖17中。描述了單個(gè)元件的操作的原理。
圖17描繪了引入了本發(fā)明的量子納米電線的邏輯塊?！癆ND”型的邏輯塊是在場(chǎng)控轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它會(huì)打開，只要輸入柵門#1和柵門#2中的輸入信號(hào)一致就行(圖17a)。在右邊示出的快速存儲(chǔ)元件(圖17b)能夠用作邏輯塊“OR”，它獲得所需要的邏輯狀態(tài)，如果柵門G2到G6中任何一個(gè)提供所需要的輸入信號(hào)Gn＞G0。
4三重邏輯存儲(chǔ)元件在基本電磁存貯單元(memory cell)中的環(huán)形持續(xù)電流為先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生提供了新機(jī)會(huì)。眾所周知的是，使用三個(gè)不同邏輯狀態(tài)“1”，“0”，和“-1”的三重邏輯系統(tǒng)(這里稱作“三元”邏輯系統(tǒng))使得可以開發(fā)出具有令人想望的特性的計(jì)算機(jī)。使用具有邏輯狀態(tài)“0”和“1”的二進(jìn)制邏輯的普通計(jì)算機(jī)不能解決產(chǎn)生具有兩個(gè)以上穩(wěn)定狀態(tài)的簡單邏輯元件的技術(shù)難度問題。
然而，本發(fā)明的電磁記憶單元(memory cells)能夠用于解決這一問題，因?yàn)樵谕画h(huán)路中的持續(xù)電流能夠在兩個(gè)不同的時(shí)間中沿兩個(gè)不同方向誘導(dǎo)。在這種情況下，邏輯狀態(tài)“1”狀態(tài)可以由順時(shí)針方向的電流來表示，邏輯狀態(tài)“-1”是由逆時(shí)針方向的電流表示，和邏輯狀態(tài)“0”由零電流表示。為了構(gòu)建三重邏輯存貯單元，在圖16中描繪的二元存貯單元能夠備有僅僅一個(gè)附加納米轉(zhuǎn)換器，如圖18中所描繪，因此產(chǎn)生了三元的存貯單元。
圖18a和18b描繪了具有兩個(gè)寫入納米轉(zhuǎn)換器的三重邏輯存儲(chǔ)元件。在寫入程序結(jié)束之后顯示了最終狀態(tài)邏輯狀態(tài)“1”能夠被寫入，如果該垂直轉(zhuǎn)換器已經(jīng)激活(圖18a)，和邏輯狀態(tài)“-1”是在水平轉(zhuǎn)換器的作用之后得到(圖18b)，這可從感應(yīng)電流的方向觀察到。邏輯狀態(tài)“0”(未顯示)得以產(chǎn)生，如果兩轉(zhuǎn)換器保持非激活狀態(tài)，而同時(shí)進(jìn)行寫入程序的話。符號(hào)“+”和“-”顯示電極的極性，粗的白色箭頭顯示了在各情況下寫電流的方向。
以上所考慮的甚至幾個(gè)相當(dāng)簡單的例子顯示了通過使用超極化子所形成的納米電子元件如何實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能。這里提供的例子不是窮舉，而是僅僅為了說明這些元件在不同的組合中的連接如何用于構(gòu)建更復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)。
5納米處理器通過使用從量子納米電線和其它元件制造的設(shè)備，能夠制造出降低尺寸的處理器。這些小型處理器在這里被稱作“納米處理器”。納米處理器的制造能夠?qū)崿F(xiàn)，這歸因于由本發(fā)明的量子元件所賦予的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。具體地說，極低功率消耗和小尺寸能夠允許制造出比普通半導(dǎo)體的可能尺寸更小的處理器。
能夠制造電磁RAM元件，它在邏輯狀態(tài)的變化中僅僅在極短時(shí)間中消耗能量，而在邏輯狀態(tài)保持穩(wěn)定時(shí)不必消耗能量。能夠估測(cè)到用本發(fā)明的元件制造的計(jì)算機(jī)的能量方面和其它優(yōu)點(diǎn)，與基于半導(dǎo)體的同時(shí)代的計(jì)算機(jī)相比美。
為了對(duì)比，假定具有頻率fnow＝1 GigaHz的半導(dǎo)體型處理器始終消耗1個(gè)能量單位/每秒，并且包括至多n＝107個(gè)存儲(chǔ)和處理信息的元件。因此，在最佳的同時(shí)代的處理器中，總功率消耗(CPC)＝1(能量單位)/s，和每個(gè)元件的平均功率消耗(APCE)能夠估計(jì)是1/N＝10-7能量單位/每元件/每秒。
對(duì)于普通的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)，邏輯信息處理的極限速度不超過1011字節(jié)/s，如果該處理器使用128條平行線用于內(nèi)部信息交換的話。實(shí)際上這意味著僅僅128個(gè)元件，對(duì)應(yīng)于整數(shù)107的0.001％，能夠?qū)τ诘扔诖蠹s10-9s的給定循環(huán)來改變它們的邏輯狀態(tài)。因此，在10-9s中發(fā)生的這些128個(gè)元件的邏輯狀態(tài)的同時(shí)變化需要可由下列關(guān)系式粗略估計(jì)的能量。
邏輯狀態(tài)的變化的瞬間能量價(jià)格(price)＝＝(線的數(shù))×APCE/f＝128×10-7×10-9s＝10-14能量單位。
與普通半導(dǎo)體型計(jì)算機(jī)所需要的能量對(duì)比，在以本發(fā)明的量子RAM元件為基礎(chǔ)的處理器中的能量情形是基本上不同的。因?yàn)樵谠撛械霓D(zhuǎn)變時(shí)間比同時(shí)代的半導(dǎo)電的元件短至少大約100倍(參見圖15)，則類似128個(gè)元件的邏輯狀態(tài)的各自變化需要低至少100倍的能量，即10-16能量單位。
本發(fā)明處理器的主頻率高達(dá)fnew＝20GigaHz的提高以及從128到大約50,000的平行道線的數(shù)量的同時(shí)提高意味著在整個(gè)處理器中的總功率消耗(CPC)能夠由下列關(guān)系式來粗略估計(jì)。
CPC＝(道線的數(shù)量/128)×fnew×10-16能量單元≌400×2·1010(s-1)×10-16能量單位＝8·10-4(能量單位)/s。
因此，功率消耗能夠降低至大約8·10-4(能量單位)/s的值。這一下降表示比在一層中具有107個(gè)元件的現(xiàn)有處理器所需要的低大約1250倍的功率。以上述新元件為基礎(chǔ)的處理器能夠提供從1011字節(jié)/s到8·1014字節(jié)/s的信息處理的增加速度，這表示計(jì)算機(jī)速度提高了大約9000倍。減少的功率消耗和增加的速度兩者的結(jié)合能夠允許在處理器中元件的總數(shù)增加大約500-1000倍。即使有這一增加，總能量消耗仍然低于在同時(shí)代的處理器中的能量消耗和本發(fā)明的處理器的溫度能夠保持在所需要的界限中。
上述性能特征能夠允許含有粗略地1010個(gè)邏輯單元(而不是在最佳的同時(shí)代的處理器中的107個(gè))的新類型處理器的開發(fā)。邏輯單元(logic cells)的數(shù)目增加的一個(gè)理由是每個(gè)單元(cell)的減少生熱使得在實(shí)際中可用于設(shè)計(jì)多層的層次結(jié)構(gòu)，如圖19所示。
圖19描繪了具有相同的能量和溫度狀況的兩個(gè)處理器1)以本發(fā)明的量子RAM單元為基礎(chǔ)的多層狀況(左邊)，和2)以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的同時(shí)代的、單層狀態(tài)(右邊)。在本發(fā)明的量子處理器中，相同數(shù)量的平行道線(128)可用于各層中，與普通的半導(dǎo)體處理器中一樣，但是由于全部500-1000層的平行排列，平行道線的總數(shù)增大了約1000倍。
本發(fā)明的量子處理器的使用與普通平面型層次結(jié)構(gòu)對(duì)比的優(yōu)點(diǎn)是，在平面的層次結(jié)構(gòu)中，在邏輯元件之間的連接是利用電線的直接連接來實(shí)現(xiàn)。這一特征產(chǎn)生了一些困難，如果希望避免兩個(gè)電道線的交叉，或避免信號(hào)沿著z-方向從一個(gè)水平轉(zhuǎn)移到另一個(gè)上時(shí)。
電磁RAM元件的使用能夠減輕這一問題和能夠允許信號(hào)沿z-方向傳遞通過多個(gè)層，盡管各層通過介電材料與相鄰層實(shí)現(xiàn)絕緣。該“垂直”無接觸信號(hào)傳遞的概念被描繪在圖20中。
圖20描繪了電磁脈沖信息在圖19中所描繪的多層納米處理器的各層之間的傳輸。在底層中，在圓形超極化子中的持續(xù)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)(H)，它穿過在上層中的超極化子。如此產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在上面的圓形超極化子中誘導(dǎo)電流，進(jìn)而將信息提高到在該高層面(upper level)上的其它元件中。該垂直信號(hào)傳遞能夠通過如上所述的控制電極來控制。
借助于本發(fā)明的處理器的多層層次結(jié)構(gòu)，在圖19(左)中顯示的量子處理器能夠是真實(shí)三維處理器?？紤]到上面描述的信息處理的增加速度，能夠估測(cè)信號(hào)處理速度高達(dá)或高于大約8×1014字節(jié)/s。例如，通過使用本發(fā)明的多級(jí)(multilevel)的納米處理器，在1010字節(jié)的陣列中信息的字節(jié)的搜索能夠在短至大約10微秒(μs)內(nèi)完成。
除了增加速度和減少能量消耗之外，本發(fā)明的量子處理器能夠比普通的處理器小得多。例如，如果單環(huán)型RAM元件的直徑是大約500nm和它的控制電極各自占據(jù)附加的500nm的空間，則元件的陣列能夠位于一個(gè)平面內(nèi)并且需要僅僅大約2微米或更少。該分辨率能夠借助于現(xiàn)有的照相平版印刷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。這意味著RAM元件的平面密度是至少2.5×107cm-2或更高，因此，具有約107個(gè)元件的處理器需要低于大約0.4cm2的面積。
在多層處理器中，在相鄰平面之間的z-周期性能夠是大約1微米。在這種情況下1000層的總厚度沒有超過0.1cm。這意味著具有1010個(gè)存儲(chǔ)元件的處理器能夠放置于低于約0.04cm3的體積中。由于在處理器的任何一對(duì)元件之間的小距離(在任何方向上大約0.5cm或更少)，電信號(hào)能夠在短至大約10-11s的平均時(shí)間中穿行這一距離。
IV傳感器和壓磁轉(zhuǎn)換器和激勵(lì)器除它們直接用作計(jì)算機(jī)的靜止元件之外，無源和有源的特定功能單元都能夠用于傳感器和激勵(lì)器的制造。本發(fā)明的導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)的使用的一些非限制性例子包括1.局部壓力和溫度傳感器；2.從電信號(hào)至局部的機(jī)械變形(靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)兩者)的高效率轉(zhuǎn)換器用作納米激勵(lì)器或用于光電子設(shè)備中，反之亦然，3.從局部的機(jī)械應(yīng)力或超聲波(USW)提供電力的高效率納米發(fā)電機(jī)。
A壓力和溫度傳感器如上所述，特別設(shè)計(jì)的無源元件可以經(jīng)過生產(chǎn)后具有高電阻Rcont，主要取決于隧道縫隙d的物理特性。隧道縫隙d能夠是大約恒定的，如果在微電子電路內(nèi)使用的話。這就是這樣一種情況，填充該縫隙的介電聚合物處于以非常高的楊氏模量值為特征的玻璃態(tài)下。通過使用在聚合物基質(zhì)內(nèi)高密度交聯(lián)能夠獲得類似的結(jié)果。
如果填充縫隙的聚合物被選擇在工作條件下的高彈性狀態(tài)(HES)下，和具有相當(dāng)?shù)偷臈钍夏Ａ?Y)時(shí)這一情形會(huì)變化。聚合物的楊氏模量，Ypol，粗略地比玻璃態(tài)的Ypol低六個(gè)數(shù)量級(jí)(參見以上的討論)。在這種情況下，縫隙寬度d變得對(duì)機(jī)械壓縮敏感，如果施加外壓力P的話。
在這些變量之間的關(guān)系是由以下方程式來給出的d＝d0(1-P/Ypol)其中d0是沒有壓力下的縫隙的寬度。
由于隧道接觸電阻對(duì)于d的強(qiáng)烈的指數(shù)相關(guān)性，能夠?qū)慠cont≈ekd=ekd0(1-P/Ypol)]]>其中kd0＞＞1根據(jù)定義從高Rcont求得。
從這一表達(dá)式可以看出，在HES中，電阻應(yīng)該按指數(shù)規(guī)律與該壓力相關(guān)Rcont=Rcont(0)e-kd0P/Ypol]]>其中R(0)cont是沒有壓力變化下的電阻，和該傳感器的敏感性必須相當(dāng)高，甚至P＜＜Ypol的小變化都可以引起電阻的重大變化。
在沒有外部壓力下，相同的元件可以用作溫度傳感器，因?yàn)樵贖ES狀態(tài)下的聚合物具有相當(dāng)高的溫度膨脹系數(shù)。
d＝d0(1+αΔT).
這導(dǎo)致了高溫敏感性的最終表達(dá)Rcont=Rcont(0)ekd0αΔT]]>2電子-機(jī)械轉(zhuǎn)換器使用電信號(hào)來引起微型或納米級(jí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的同時(shí)代的設(shè)備通常是以具有非常嚴(yán)厲的自然限制的某些固態(tài)壓電材料為基礎(chǔ)的。例如，該材料的最大非破壞性的變形ΔL/L典型地不超過0.02％和甚至在靜態(tài)下需要始終施加高強(qiáng)度的電場(chǎng)以保持非零變形。
在HES聚合物基質(zhì)中適當(dāng)?shù)匦纬傻某瑯O化單元(這里稱作“壓磁超極化子”)能夠提供從電信號(hào)到機(jī)械力的更高效的轉(zhuǎn)變。為了說明該效果，考慮在圖21中所描繪的包括兩個(gè)閉環(huán)超極化子的系統(tǒng)。圖21描繪了用于將兩個(gè)持續(xù)電流的磁相互作用轉(zhuǎn)化成力Fattr的壓磁單元，它能提供原動(dòng)力以改變?cè)陂]環(huán)超極化子之間的距離L。
如圖2l中所描繪，兩環(huán)路位于HES聚合物介質(zhì)中，和在兩個(gè)環(huán)路之間的距離L低于或接近于它們的直徑D。在這種情況下，兩環(huán)路能夠在磁性上互相作用。該相互作用能夠由各環(huán)路中的與由兩個(gè)電流一起所產(chǎn)生的磁場(chǎng)H相互作用的電流來維持。這一相互作用導(dǎo)致吸引力Fattr的出現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)電流具有相同方向時(shí)，和導(dǎo)致分開這兩個(gè)超極化子的聚合物介質(zhì)的彈性變形(即，壓縮)。
所產(chǎn)生的力能夠表示如下。電流J1在具有直徑D的導(dǎo)電環(huán)中流動(dòng)。電子的速度υ和它們?cè)诃h(huán)中的數(shù)目能夠按下式與電子之間的平均距離λ相關(guān)。
υ＝λJ1/e；n＝πD/λ其中e-電子的電荷如果該環(huán)位于垂直于環(huán)平面的磁場(chǎng)H0中，則產(chǎn)生了洛倫斯(Lorenz)力F，它根據(jù)下列關(guān)系式沿著它的軸推動(dòng)該環(huán)。
F＝(neυ)H0/c＝(πDJ1/c)H0，其中c是光速。
場(chǎng)H0能夠通過在第二環(huán)中流動(dòng)的類似的環(huán)流J0來產(chǎn)生，該第二環(huán)與第一環(huán)以較小距離分開以使得L＜D。在這種情況下，H0基本上不依賴于L，而且H0的值相當(dāng)接近于在第二環(huán)的中心處的場(chǎng)強(qiáng)度，它能夠由下列關(guān)系式表示。
H0≅4πJ0cD]]>該場(chǎng)強(qiáng)H0能夠?qū)е略趦蓚€(gè)環(huán)之間有可利用的洛倫斯力，如果它們的電流是沿著相同的方向流動(dòng)。另外地，如果希望，通過在相反的方向上在兩個(gè)環(huán)中產(chǎn)生電流流動(dòng)，來產(chǎn)生推斥力。
對(duì)于各導(dǎo)電環(huán)與周圍的彈性聚合物基質(zhì)以機(jī)械方式相結(jié)合的情況，該力是沿著一定的有效面積S分配在聚合物中，該面積大約比環(huán)本身的面積大幾倍，并能夠粗略地根據(jù)下列關(guān)系式來估測(cè)。
S＝(4πD2)/4＝πD2這可獲得由在兩個(gè)電流之間的電磁相互作用所引起的在這一面積內(nèi)的有效平均壓力P的估測(cè)值并導(dǎo)致了分開兩環(huán)的聚合物層L的彈性變形(壓縮或膨脹)。壓力的大小能夠由下列關(guān)系式表示。
P≡(4π/D2)(J0J1/c2).
由壓力P引起的壓縮率Comp能夠由下列關(guān)系式表示。
Comp＝(ΔL/L)≌P/Ypol.
大約10％的非破壞性變形ΔL/L是HES聚合物的特性并且是可逆的，如果在兩個(gè)環(huán)之間的體積中的壓力滿足條件P＜約0.1Ypol＜約0.1Kg/cm2。這一關(guān)系是粗略估計(jì)，和在大約1個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)的其它值也能夠提供令人滿意的變形特性。從以上給出的通式，為了實(shí)現(xiàn)聚合物變形所需要的P的大小能夠在環(huán)的直徑D是大約1000nm和兩個(gè)持續(xù)電流J0和J1是大約0.1A時(shí)來實(shí)現(xiàn)。如果希望，在大約10mA范圍內(nèi)的較小電流能夠提供足夠的力，如果環(huán)的直徑D降低至約100nm。
依賴于局部的壓磁轉(zhuǎn)變的設(shè)備的使用壽命能夠取決于在環(huán)中的環(huán)電流J0和J1的持續(xù)。由于有較長時(shí)間的持續(xù)，該設(shè)備有著將磁能轉(zhuǎn)變成機(jī)械力的較長時(shí)間的能力。所提供的公式表明，任何類型的變形(對(duì)于平行電流的情況是收縮或?qū)τ诜聪蚱叫须娏鞯那闆r是膨脹)與J1成正比，如果J0是恒定的和不隨時(shí)間改變。因此，通過選擇J1低于約10mA能夠?qū)崿F(xiàn)該變形的從零到10％的精密控制。
還能否容易地認(rèn)識(shí)到，材料的楊氏模量的變化也能夠影響在Fattr和ΔL/L之間的關(guān)系。因此，更具彈性的聚合物能夠顯示出比具有較低彈性的聚合物更大的變形。
幾個(gè)不同的狀態(tài)是所想望的。僅僅舉例而已，能夠產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)的一種狀態(tài)，其中所需要的變形能夠在所需要的時(shí)間中保持穩(wěn)定。這一狀態(tài)能夠在一些光電應(yīng)用中，和在較慢的機(jī)械設(shè)備中是有效的。例如，能夠在此基礎(chǔ)上形成人造的肌肉。
另外地，能夠使用動(dòng)態(tài)的一種狀態(tài)，其中局部變形引起振動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，該振動(dòng)能夠處在高頻率下。該動(dòng)態(tài)的狀態(tài)能夠是快速的光電設(shè)備所需要的。其它實(shí)施方案可用于制造局部的超聲發(fā)生器和接收器，它們例如能夠用于納米計(jì)算機(jī)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的無線電信號(hào)和能量轉(zhuǎn)移。動(dòng)態(tài)的狀態(tài)的概念能夠從下面提供的簡單解釋來理解。
為了評(píng)價(jià)共振頻率fres，在兩個(gè)圓形超極化子之間振動(dòng)的彈性聚合物基質(zhì)的有效體積V≈πD2L能夠用下面的機(jī)械歷程來表示，其中兩個(gè)質(zhì)量是由下列表達(dá)式來相關(guān)。
m=12ρV≈0.5ρπD2L]]>其中各質(zhì)量與具有當(dāng)量彈性系數(shù)k的彈簧(spring)相連。
圖22描繪了在彼此接近的本發(fā)明的兩個(gè)圓形超極化子之間的關(guān)系并且界定該圓周的其平面是平行的。該術(shù)語L/2是指各圓柱體的高度與振動(dòng)質(zhì)量相關(guān)(參見圖22的底部)。
該超極化子具有直徑D，和在沒有電流的情況下，具有L的分離間距。分離該圓形超極化子的聚合物材料具有回彈性和由螺旋形來描繪。通過在圓形超極化子內(nèi)產(chǎn)生電流，在超極化子之間產(chǎn)生了推斥力，導(dǎo)致兩個(gè)超極化子的運(yùn)動(dòng)，彼此由量ΔL分開。在兩個(gè)圓形超極化子之間的體積的彈性系數(shù)能夠由下列關(guān)系式表示。
k=2YpolLSeffect≅2YpolLπD2]]>在具有系數(shù)k的彈簧上的質(zhì)量m的共振頻率fres能夠由下列關(guān)系式表示。
fres=12πkm≅1πLYpolρ]]>例如，對(duì)于具有0.8g/cm3的密度和106達(dá)因/cm2的聚合物楊氏模量Ypol的聚合物，能夠估測(cè)，當(dāng)在環(huán)路之間的距離L是1000nm時(shí)該fres是大約4MHz，和當(dāng)距離L是大約100nm時(shí)fres是大約40MHz。
以上所使用的106達(dá)因/cm2的Ypol值保持有效，僅僅當(dāng)振動(dòng)周期超過了聚合物松弛的特征時(shí)間為止。在較高的頻率下，Ypol(f)根據(jù)所給定聚合物的特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)而逐漸地提高。在高頻率下，不得不使用卓越的方程式，后者導(dǎo)致比以上已經(jīng)估計(jì)的甚至更高的共振頻率。估計(jì)該卓越的功能的方法是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。
如果電流J1的方向隨頻率f周期性地反轉(zhuǎn)，在兩個(gè)環(huán)路之間彈性聚合物的小體積πD2L將牽涉在相同頻率f的振動(dòng)中，因?yàn)閴嚎s和膨脹脈沖周期性地重復(fù)。該振動(dòng)的最高效率(和振幅)能夠達(dá)到，當(dāng)外部施加的頻率f與共振頻率fres一致或接近于共振頻率fres時(shí)。fres大小在上面被估計(jì)是在大約4MHz和大約40MHz之間，如果高彈性狀態(tài)模量Ypol在這一頻率范圍內(nèi)保持可用的話。如果該彈性模量隨著提高頻率而提高，則振動(dòng)振幅應(yīng)該減少，但共振頻率能夠提高。共振動(dòng)態(tài)狀態(tài)能夠消耗比非諧振的狀態(tài)低得多的能量。該依賴性Ypol(f)對(duì)于具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的聚合物是非常適合。
如上所述的元件能夠在需要有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的任何情形下使用。這些應(yīng)用包括但不限于小尺寸的馬達(dá)，這里稱作“納米馬達(dá)”。納米馬達(dá)可用于制造許多具有所需尺寸的機(jī)器人設(shè)備。對(duì)于微細(xì)的設(shè)備，能夠排列小數(shù)量的納米馬達(dá)。對(duì)于較大的馬達(dá)，較大量的納米馬達(dá)能夠串聯(lián)排列。
3機(jī)械變形轉(zhuǎn)變成電能夠作出某些實(shí)例，這些實(shí)例直接從機(jī)械變形產(chǎn)生電。形成了圓形超極化子的雙環(huán)構(gòu)型，它類似于在圖20和21中的上述構(gòu)型。在一個(gè)環(huán)路中形成了持續(xù)電流J0。含有環(huán)路的聚合物的機(jī)械變形能夠引起在兩個(gè)環(huán)路之間距離L的變化。兩個(gè)環(huán)路的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能夠引起通過第二環(huán)路的磁通量的變化并能夠?qū)е赂袘?yīng)電流J1在其中的產(chǎn)生。借助于控制回路，該電流的能量能夠用于為蓄電池充電或供其它目的用。
另外，這一類型的設(shè)備可用于許多不同的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。例如，植入的微電子設(shè)備能夠與外部的電能源無關(guān)，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦?nèi)部產(chǎn)生電能。該電流能夠直接從病人身體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。如此產(chǎn)生的電信號(hào)可用于控制和操作一些設(shè)備，其中包括心臟起搏器。
4準(zhǔn)靜態(tài)的光電轉(zhuǎn)換器在本發(fā)明的其它實(shí)施方案中，含有超極化子的聚合物基質(zhì)的壓縮能夠改變介質(zhì)的折射指數(shù)。折射指數(shù)的變化能夠用來根據(jù)對(duì)聚合物壓縮的電子控制，利用設(shè)備反射或傳輸所入射的電磁輻射的能力來轉(zhuǎn)換(“光電轉(zhuǎn)換”)。該光電轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)可通過在感應(yīng)電流J1與折射指數(shù)η之間的下列關(guān)系來說明η(J1)=ηo(1+ΔL(J1)-0.5L)≅ηo(1+ΔL(J1)2L.)]]>10％的變形ΔL/L能夠?qū)е抡凵渲笖?shù)n的5％變化，這足以引起該設(shè)備用作準(zhǔn)靜態(tài)的光電轉(zhuǎn)換器(圖23a和23b)，后者利用完全的內(nèi)部折射的現(xiàn)象。
圖23描繪了按照本發(fā)明的準(zhǔn)靜態(tài)的光電轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)狀態(tài)。該轉(zhuǎn)換器包括具有一個(gè)下層和相鄰上層的雙層材料，其中下層具有高致密度的聚合物和上層具有低致密度聚合物，這樣在它們之間產(chǎn)生界面。電磁輻射B0的入射束在具有折射指數(shù)N的更高致密度的介質(zhì)中穿行，并落在與具有較低密度的層所形成的界面上。在低密度介質(zhì)中的折射指數(shù)n能夠取決于在圓形超極化子中的局部電流J1。在其中如果J1＝0，折射指數(shù)n＜ncrit＜N的情況下，入射光束B0不能貫穿該邊界并且完全地反射回來。在這一情形下，該轉(zhuǎn)換器關(guān)閉(圖23a)。在其中電流J是足夠的高以致于引起低致密度介質(zhì)的壓縮而使得n＞ncrit的情況下，則光束B0能夠穿過邊界并在新介質(zhì)中穿行。在這一情形下，該轉(zhuǎn)換器打開(圖23b)。
該壓磁元件的靜態(tài)狀態(tài)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于與超導(dǎo)的超極化子相關(guān)的較低能量耗散，信號(hào)激發(fā)持續(xù)電流J1可以僅僅在較短時(shí)間內(nèi)使用。在聚合物基質(zhì)的合適選擇下，該轉(zhuǎn)換時(shí)間能夠短至大約10-7s。一旦被誘導(dǎo)，持續(xù)電流J0和J1兩者長時(shí)間相互作用并且將聚合物基質(zhì)的彈性變形保持穩(wěn)定。以上提高的光電轉(zhuǎn)換器的上述歷程不是唯一一個(gè)可能的，以及其它也能夠建議，這基于改變?cè)诮缑嫔暇酆衔锏恼凵渲笖?shù)的原理。
V導(dǎo)電的超極化子的制造制造本發(fā)明的具有高導(dǎo)電率的超極化子包括三個(gè)要素?fù)诫s劑，有機(jī)分子，和然后該材料進(jìn)行反應(yīng)而形成超極化子。某些有機(jī)化合物能夠具有在大約10-11eV范圍內(nèi)的高電離電位。電離電位能夠反映為了在真空中產(chǎn)生有機(jī)離子和自由電子所需要的能量。
對(duì)于此類有機(jī)化合物，單個(gè)分子的真空電離電位能夠粗略地表示為兩個(gè)主要分量的總和(參見圖24，情形a)，表述為Ivac＝EChem+EVac-sep，，其中EChem的典型值≌2eV。Echem的值是為了在離子化過程中斷裂化學(xué)鍵所需要的平均能量的估計(jì)值，和其中Evac-sep≅e2Rion≅8-9eV.]]>Evac-sep是為了在真空下將一個(gè)電子與離子分離所需要的靜電能量。在前面的表達(dá)式中，Rion是典型的離子半徑大約≌0.15nm。對(duì)于其它離子，該Rion能夠是不同的。
能量的考慮能夠是不同的，如果分子的離子化是在冷凝的有機(jī)物質(zhì)中發(fā)生。這一過程在這里被稱作“內(nèi)部離子化”。對(duì)于內(nèi)部離子化，該術(shù)語EChem能夠保持與真空離子化的相同，大約2eV(例如，參見圖24b)，但是第二靜電分量會(huì)降低，這歸因于為給定的凝聚介質(zhì)(condensed medium)所固有的高頻介電常數(shù)。通常，該高頻介電常數(shù)εω能夠取決于特定的化學(xué)組成和對(duì)于某些有機(jī)電介質(zhì)是在約2到大約2.4范圍內(nèi)。在這種情況下，在凝聚介質(zhì)(condensed medium)中內(nèi)部離子化的第二分量IMed能夠由下列關(guān)系式表示EMed-sep≅e2ϵ∞Rion≅3.3-4.5eV.]]>內(nèi)部離子化的相應(yīng)潛力是由下列關(guān)系式來表示IMed＝EChem+EMed-sep≌5.3-6.5eV。上述值代表了包括純電子過程的僅僅所謂垂直離子化的力能學(xué)(energetics)，并且不考慮在電荷分離之后在介質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)重組的附加過程。在離子化之后可能發(fā)生的一個(gè)二次過程是溶劑化殼的形成，后者逐漸在所分離的正和負(fù)的電荷兩者周圍的極性液體介質(zhì)中出現(xiàn)。該溶劑化能夠在能量上得到促進(jìn)，如果它提供一些能量增益(gain)。在一定條件下，該能量增益在含有適當(dāng)濃度的極性基團(tuán)的有機(jī)介質(zhì)中典型地不超過1-2eV。
以上熱力學(xué)方面的考慮能夠?qū)е聝蓚€(gè)重要的結(jié)果a)典型有機(jī)冷凝液體(condensed liquids)的內(nèi)部離子化所需要的5.3-6.5eV的能量是在落在波長大約0.23-大約0.19nm的遠(yuǎn)紫外線范圍內(nèi)的幾種類型有機(jī)電介質(zhì)的透明度的已知窗口之內(nèi)。顯然，甚至這一降低的能量對(duì)于穩(wěn)定有機(jī)離子和自由電子的自發(fā)產(chǎn)生仍然是太高的，甚至對(duì)于考慮大約1-2eV的附加增益的情況也如此。任何自由電子-它們?cè)谠摻橘|(zhì)中的偶然出現(xiàn)應(yīng)歸于臨時(shí)的外部離子化因數(shù)(紫外光，電子束，或宇宙射線等)-具有相當(dāng)有限的壽命，并且在電離能量源停止之后立即重組。
b)如果外部摻雜劑用作自由電子的源，則熱力學(xué)方面的考慮能夠是不同的。來自摻雜劑產(chǎn)生的電子能夠僅僅處于該體系的空能級(jí)上，其能量位置是在有機(jī)冷凝的(condensed)物質(zhì)之內(nèi)。如上所述的類似的熱力學(xué)原理可用于估計(jì)為了維持摻雜劑在有機(jī)介質(zhì)中的穩(wěn)定離子化所需要的能量。本領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，供自由電子用的那些未占據(jù)的能級(jí)將在真空中漂移到自由電子的能級(jí)之下，如圖24中所示，情形b，根據(jù)下列方程式EFree=IMed-IVoe=EMed-sep-EVoe-sep=-e2Rion(1-1ϵ∞)=3.5-5.7eV.]]>來自外部摻雜劑的穩(wěn)定離子和自由電子的形成包括兩個(gè)步驟。首先，電子從摻雜劑內(nèi)部的能級(jí)到空能級(jí)的快速垂直躍遷；和其次，所分離的電荷的相對(duì)緩慢的溶劑化，伴隨有結(jié)構(gòu)松弛。該過程能夠是熱力學(xué)上有利的，如果EFree+ESol＞IDop，其中IDop是摻雜劑的電離電位?？紤]以上給出的定量計(jì)算方法，大約4.5至大約7.7eV或甚至更低的IDOP值能夠進(jìn)一步導(dǎo)致在有機(jī)介電基質(zhì)中穩(wěn)定離子和自由電子的產(chǎn)生。這里所提供的具體的估計(jì)值僅僅為了說明而已，并且對(duì)于選擇其它摻雜劑，有機(jī)物質(zhì)，和/或其它變量能夠獲得其它估計(jì)值。另外，上述的途徑能夠適用于液體或固體形式的許多不同的有機(jī)材料，與分子量無關(guān)。
A摻雜劑通常，任何摻雜劑都可以用于制造本發(fā)明的超導(dǎo)的超極化子，如果該電離電位允許摻雜劑的離子化。尤其有用的摻雜劑具有低于大約7eV的電離電位。表I中的如下描述是具有在這一范圍內(nèi)的電離電位的一些元素。[取自數(shù)據(jù)手冊(cè)化學(xué)鍵能；電離電位；和電子親合力(Data taken from handbookEnergies of chemical bonds.Ionization potentials，and electron affinities)，Ed.VKondratyev，Moscow，Science，1974]，被引入這里供參考。
表I元素和它們的電離電位
除了在以上表I中描述的元素之外，還能夠使用其它無機(jī)分子和基團(tuán)。合適的分子和基團(tuán)的例子被提供在下面的表II中。
表II無機(jī)分子和基團(tuán)
除無機(jī)分子和基團(tuán)之外，某些其它的、更復(fù)雜的有機(jī)分子和有機(jī)/元素化合物能夠是有用的摻雜劑。這些材料的例子提供在下面的表III中。
表III
有機(jī)和元素-有機(jī)化合物
在以上表I，II和III中提供的摻雜劑的例子僅僅為了舉例說明而已。許多其它類型的摻雜劑能夠使用和保持在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
B有機(jī)分子本發(fā)明的某些超導(dǎo)的超極化子能夠在某些熱力學(xué)條件下在一些有機(jī)液體中自我組裝。在許多平常的有機(jī)物質(zhì)中，價(jià)電子能夠被強(qiáng)有力地結(jié)合在化學(xué)鍵中并且存在很少的自由電子。
在某些實(shí)施方案中，希望選擇有機(jī)分子和摻雜劑，其中有機(jī)分子能夠容易地接受摻雜劑電子。如果該有機(jī)分子接受來自摻雜劑的電子，則產(chǎn)生無電荷的物質(zhì)的副反應(yīng)的趨勢(shì)能夠削弱。根據(jù)一個(gè)可能的理論，摻雜劑的化學(xué)不穩(wěn)定性能夠由同一價(jià)電子引起，該價(jià)電子潛在地可以用來參與副反應(yīng)以及變成自由電子。為了削弱摻雜劑形成無電荷的產(chǎn)物的趨勢(shì)，能夠選擇具有一種化學(xué)結(jié)構(gòu)的堿性(basic)有機(jī)化合物，以使它用作電子受體。更容易地接受摻雜劑的電子的有機(jī)結(jié)構(gòu)部分能夠減少副反應(yīng)的可能性。電子密度從摻雜劑到受體的該遷移未必暗示了摻雜劑的完全電離。相反地，在一些實(shí)施方案中，甚至不完全的離子化，這里已知為“預(yù)備”或“準(zhǔn)離子化”，能夠削弱了副反應(yīng)的無電荷產(chǎn)物的形成的可能性。
另外，在某些實(shí)施方案中，希望有機(jī)組分能夠?yàn)楸环@的電子和在摻雜劑分子的準(zhǔn)離子化之后保留在摻雜劑分子上的正電荷兩者提供足夠大的預(yù)備空間隔離。對(duì)于某些情形，理想的是在分離電荷被溶劑化所穩(wěn)定之前實(shí)施空間電荷分離。希望在摻雜劑和有機(jī)化合物之間的相互作用生產(chǎn)出電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，后者可以提供或不提供最終的自由電子。在某些實(shí)施方案中尤其希望電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物能夠快速地形成。該電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物能夠是自由電子和穩(wěn)定的有機(jī)離子兩者的中間前體。
另外，該前體能夠作為大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)的一部分存在或在凝聚介質(zhì)(condensed medium)中作為較低分子量化合物存在。
根據(jù)以上考慮，對(duì)于本發(fā)明的某些實(shí)施方案，所選擇的堿性有機(jī)化合物含有兩種不同類型的官能團(tuán)具有提高的電子親合性(EA)的電子-受體基團(tuán)和具有高親合性以提高正電荷的密度的分離基團(tuán)，這里稱作“正離子親合性基團(tuán)”(“PIA”)。例如，質(zhì)子-受體基團(tuán)能夠是PIA的一個(gè)例子。如果摻雜劑D被引入在同時(shí)含有EA和PIA基團(tuán)的介質(zhì)中，則與所述摻雜劑的相互作用能夠?qū)A性有機(jī)分子的至少一部分轉(zhuǎn)變成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，由下列關(guān)系式所示(EA)δ-...[D...PIA]δ+其中δ≤1，和其中δ是價(jià)電子密度。
如果在EA和PIA基團(tuán)之間有合適的距離，則這一類型的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物能夠?qū)?yīng)于所希望的電荷的預(yù)備空間隔離，雖然正負(fù)電荷仍然被庫侖力所束縛。摻雜劑D的化學(xué)活性能夠在摻雜劑以帶正電荷的復(fù)合物形式[D...PIA]δ+被捕獲之后降低。在該情形下，摻雜劑能夠損失價(jià)電子密度的一部分(δ≤1)。在這些情形中，副反應(yīng)的可能性能夠減少，如果PIA基團(tuán)具有使δ接近1的正電荷親合性。這些條件能夠提供特殊電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的強(qiáng)度的定量估計(jì)。
在電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物前體的形成之后，兩個(gè)空間分開的溶劑化殼能夠形成，它包圍該預(yù)備分離電荷的兩者。溶劑化過程能夠在能量上得到促進(jìn)和當(dāng)存在時(shí)，能夠?qū)е律踔粮鼜?qiáng)的電荷分離。溶劑化過程能夠在動(dòng)力學(xué)上被控制和能夠同時(shí)取決于時(shí)間和溫度。在摻雜劑和有機(jī)分子的尤其理想的結(jié)合中，在電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物前體的迅速形成之后接著是一段相對(duì)緩慢的時(shí)間，在這一段時(shí)間中電荷分離導(dǎo)致了穩(wěn)定的有機(jī)離子和自由電子的逐漸形成。根據(jù)下面顯示的一個(gè)可能的歷程EAδ-.....D.....δ+PLAEAδ-+δ+DPIA+(hω optional)EA+e-++DPIA這一過程具有非零的、正的活化能，因此能夠通過該物質(zhì)的加熱或用在合適的波長帶內(nèi)的光量子的輻射來加速。另外，該反應(yīng)能夠通過在環(huán)境溫度下的長時(shí)間退火來進(jìn)行，無需增加的加熱或輻射。
前體形成以及最終的電荷分離能夠與分子的一些化學(xué)和結(jié)構(gòu)重組有關(guān)。當(dāng)在介質(zhì)內(nèi)有偶極子基團(tuán)的足夠的活動(dòng)性時(shí)，重組會(huì)發(fā)生。在某些實(shí)施方案中，希望在液體或粘性-液體介質(zhì)中發(fā)生。如果介質(zhì)的流動(dòng)性是比較高的，則堿性(basic)有機(jī)材料的分子和/或低分子量溶劑分子兩者能夠用來將離子和自由電子加以溶劑化而提供在能量上有利的狀態(tài)。尤其希望該分子含有具有高偶極矩的基團(tuán)。
在某些其它情形中，能夠選擇PIA基團(tuán)，它具有較低的正電荷親合性而使得δ＜＜1，或由于在EA和PIA基團(tuán)之間的較小距離而提供低的空間電荷分離。對(duì)于該P(yáng)IA基團(tuán)，價(jià)電子軌道的密度被認(rèn)為不會(huì)“離開”摻雜劑，但是仍然分布在EA基團(tuán)和連接EA基團(tuán)的摻雜劑分子的剩余部分兩者上。這一電子因此能夠產(chǎn)生所謂的“基團(tuán)-陰離子+陽離子”配對(duì)，其中非成對(duì)電子的自旋的方向是同樣的概率(probable)。如果同一類型的兩個(gè)基團(tuán)相遇，它們能夠重組并形成新的穩(wěn)定化學(xué)鍵，因此防止強(qiáng)烈的電荷分離。與離子化不同，基團(tuán)的重組能夠?qū)е碌玫骄哂邢笈紭O子基團(tuán)一樣的結(jié)構(gòu)的無電荷分子產(chǎn)物，如下面所描繪Dδ+-(EA)-1δ-+1δ--(EA)-Dδ+-Dδ+-(EA)-δ-11δ--(EA)-Dδ+.
例如，含有具有重要的電子親合性的酯(-COO)-或酮(＞C＝O)基團(tuán)的有機(jī)化合物能夠參與到在升高的溫度下在惰性溶劑中與堿金屬的化學(xué)反應(yīng)，伴隨了基團(tuán)-離子產(chǎn)物的形成，它們進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成電中性二-酮結(jié)構(gòu)。Mueller等人的Electrochem 45380(1939)；Morantz等人的Trans-Faraday Soc.511375(1955)，兩個(gè)參考文獻(xiàn)被全部引入這里供參考。
基團(tuán)-陰離子+陽離子對(duì)的形成的可能性，能夠通過在具有足夠高的對(duì)正電荷的親合性的堿性材料中提供PIA基團(tuán)來降低。如果EA和RIA基團(tuán)包括在同一分子中，則合適長度的間隔劑的引入能夠提供在電荷之間的足夠的距離。
適合于本發(fā)明的超極化子的形成的許多前體能夠同時(shí)兼顧電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物和基團(tuán)-陰離子+陽離子對(duì)兩者的特征。在其中前體分子傾向于形成基團(tuán)-陰離子+陽離子對(duì)的情況下，因此希望選擇其中不會(huì)促進(jìn)副反應(yīng)的反應(yīng)條件。
解決該問題的一個(gè)方法是需要考慮基團(tuán)重組成無電荷物質(zhì)的過程以及最終的電荷分離是，至少部分地，動(dòng)力學(xué)控制的。兩種類型的反應(yīng)能夠進(jìn)行的相對(duì)速率能夠取決于化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)，化學(xué)反應(yīng)的順序，以及所參與的化學(xué)品的濃度。
最終的電荷分離能夠被描述為電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物前體的單分子衰變(decay)，因?yàn)榈谝患?jí)反應(yīng)(first order reaction)具有與電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的前體濃度成正比例的速率。該衰變(decay)反應(yīng)通常不需要分子組分的長距離的運(yùn)動(dòng)，和它的速率常數(shù)因此通常不取決于介質(zhì)的宏觀粘度。
與電荷分離反應(yīng)相反，基團(tuán)-陰離子+陽離子對(duì)重組典型地包括兩個(gè)基團(tuán)的相互作用，因此是二級(jí)反應(yīng)。二級(jí)化學(xué)反應(yīng)的速率與前體濃度的平方成正比。在低濃度下，在兩個(gè)基團(tuán)(radical)之間的平均距離是如此的高，使得它們僅僅在介質(zhì)內(nèi)穿行長距離之后才彼此相遇，這一相遇能夠是相對(duì)稀有的而且反應(yīng)的速率能夠是比較緩慢的。
因此，在有所不希望的副反應(yīng)發(fā)生的情形中，為了產(chǎn)生最終的電荷分離，希望選擇較低濃度的反應(yīng)物，使得電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的陰離子和陽離子的濃度是相對(duì)低的。前體的濃度能夠是足夠的低以便不利于基團(tuán)(radical)負(fù)離子+陽離子對(duì)重組，而且還應(yīng)該是足夠的高以便提供自由電子在該基質(zhì)中的所希望的最后濃度。
介質(zhì)的宏觀粘度也可控制重組反應(yīng)的速率。因此，基團(tuán)負(fù)離子+陽離子對(duì)重組通過使用有機(jī)聚合物材料來抑制，后者所具有的粘度是足夠的高以便將二級(jí)反應(yīng)速率降低至所希望的低水平。對(duì)于粘度比大分子物質(zhì)的分子量低得多的低分子量有機(jī)化合物而言，二級(jí)反應(yīng)速率對(duì)于介質(zhì)的粘度的依賴性也適用。相反，所希望的電荷分離反應(yīng)，被稱作一級(jí)反應(yīng)，較少依賴于粘度。因此，提高粘度能夠通過顯著地降低所不希望的二級(jí)反應(yīng)的速率，和僅僅稍微地降低所希望的一級(jí)反應(yīng)的速率來變得有益。
如在以上實(shí)施例中所描述，所選擇的有機(jī)材料能夠同時(shí)含有在一個(gè)分子內(nèi)的EA和PIA基團(tuán)。另外，對(duì)于含有兩種不同類型的分子的混合物的液體有機(jī)介質(zhì)，能夠獲得本發(fā)明的令人想望的超極化子。第一類型能夠含有EA基團(tuán)和作為第二類型能夠含有PIA基團(tuán)。在這些情形下，當(dāng)摻雜劑D與兩種類型的分子各自的至少一種相互作用時(shí)，能夠形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物。
幾種在化學(xué)性質(zhì)上明顯不同的基團(tuán)被認(rèn)為是合適的EA和PIA基團(tuán)。第一種基團(tuán)，屬于EA基團(tuán)，例如，能夠包括含氧-和含-鹵素的結(jié)構(gòu)部分，象-＞C＝O，-COO，-CHO，＞C＝S，＞CCl，＞CF等。第二種基團(tuán)，屬于PIA基團(tuán)，能夠包括＞NH，-NH2，-NHR，-NR2等(其中R是有機(jī)基團(tuán))。這些EA和PIA基團(tuán)能夠存在于各種不同的脂肪族，芳族和/或有機(jī)-元素化合物中，能夠是在上述的電子-化學(xué)過程中的積極參與者，并且能夠同時(shí)用于產(chǎn)生多種的有機(jī)材料。合適的有機(jī)材料包括具有可聚合的雙鍵和/或官能團(tuán)的那些材料，該雙鍵和/或官能團(tuán)允許進(jìn)行聚合、縮聚或其它聚合物類似反應(yīng)，導(dǎo)致了高分子化合物的形成，其中能夠產(chǎn)生量子納米電線。在聚合物大分子中EA和PIA基團(tuán)能夠插入聚合物骨架或側(cè)鏈中。EA和PIA基團(tuán)能夠彼此接近地或彼此相距較遠(yuǎn)地設(shè)置。聚酯，聚酰胺，聚酮以及側(cè)鏈丙烯酸酯型聚合物，聚硅氧烷，和聚乙烯基酯能夠是尤其令人想望的聚合物材料而用于納米電線的制備。
僅僅舉例而已，下面包括了適合形成本發(fā)明的量子納米電線的其它有機(jī)材料。當(dāng)兩個(gè)官能團(tuán)象-COO和NR2能存在于一個(gè)分子中時(shí)，堿金屬能用作摻雜劑。在下面的實(shí)施例中，該氨基(NR2)基團(tuán)能夠認(rèn)為是PIA基團(tuán)，不具有PIA基團(tuán)和含有酯(-COO)-或酮(＞C＝O)基團(tuán)(EA基團(tuán))的溶劑有機(jī)化合物也與堿金屬摻雜劑反應(yīng)。然而這些物質(zhì)可以通過基團(tuán)(radical)-離子形成而產(chǎn)生電中性二酮結(jié)構(gòu)(參考這里所引入的E.Mueller等人和D.Morantz等人的文獻(xiàn))。在這些情形中，希望在同一分子中與EA COO或C＝O基團(tuán)一起提供PIA氨基以減少基團(tuán)-陰離子+陽離子對(duì)的形成的可能性。在同一分子內(nèi)活性基團(tuán)的這一選擇是令人想望的，歸因于氨基與堿金屬離子的正電荷的強(qiáng)相互作用，而由金屬原子所提供的電子與羰基氧原子強(qiáng)烈地相互作用以形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，然后接著是電荷分離和自由電子形成。
C.具有大分子離子的量子納米電線在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，能夠使用有機(jī)大分子來制造量子納米電線。這些產(chǎn)物能夠具有足夠高的粘度以使得用它們制得的結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定。取決于大分子的尺寸，能夠選擇粘度和其它性能以提供所希望的物理和化學(xué)性質(zhì)。通過使用較高分子量的分子，該粘度能夠高于用較低分子量大分子或者小的有機(jī)單體所制備的聚合物材料的粘度。
實(shí)施例在下面的實(shí)施例中，該有機(jī)分子本身不是高度導(dǎo)電的。相反地，低和高分子量分子保持在絕緣狀態(tài)中。相反，在該有機(jī)介質(zhì)內(nèi)所形成的電子線能夠是超導(dǎo)的。
實(shí)施例No 1在高粘度聚(二甲基-氨基-乙基-甲基丙烯酸酯)中的超導(dǎo)的納米電線為了形成在聚(二甲基-氨基-乙基-甲基丙烯酸酯)中制得的含有超導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)的高粘度介質(zhì)，進(jìn)行下面系列步驟。各步驟包括所指示的各個(gè)子步驟。
步驟1形成包括大分子物質(zhì)和摻雜劑的液體介質(zhì)(a)將具有100,000原子質(zhì)量單位(amu)的平均分子量的聚(二甲基-氨基-乙基-甲基丙烯酸酯)的兩克樣品溶于8克的甲苯中以得到具有大約20wt％聚合物的溶液。這一溶液是透明的和沒有著色。甲苯具有極少的(即使有)極性。聚合物同時(shí)具有氨基和酯基，各具有高偶極矩。取一滴該溶液來分析它的磁性質(zhì)。
(b)將含有在步驟(a)中形成的溶液的小開口燒瓶加熱至65-70℃的溫度保持15分鐘。在這一步驟中，該空氣基本上從氣氛中被除去并用甲苯置換，以及痕量的分子水和氧從溶液中除去。
(c)將一小片(大約0.04克)的金屬鉀投入該燒瓶內(nèi)的溶液中。因?yàn)殁浀娜埸c(diǎn)是63℃，該金屬熔化。在鉀熔化之后，它分配在溶液中，因此在大約30分鐘之后，熔化的鉀形成了具有淡棕紅色的均勻的、透明的液體介質(zhì)。隨著在鉀和所溶解的聚合物之間的相互作用形成了在前的鉀-聚合物電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，于是產(chǎn)生了顏色。該過程在30分鐘之后完成。取一滴該介質(zhì)來分析它的磁性質(zhì)。
步驟2產(chǎn)生大分子的離子和自由電子進(jìn)行這一步驟以便在具有高偶極矩的化學(xué)基團(tuán)存在下誘導(dǎo)在大分子物質(zhì)和摻雜劑之間的更完全電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)而產(chǎn)生大分子的離子和自由電子。
(d)將大約0.5克在步驟(c)中所制備的介質(zhì)從燒瓶中取出并在玻璃片狀顆粒的表面上與0.025-0.05克的丙酮混合。這是為了同時(shí)提高在介質(zhì)中容易運(yùn)動(dòng)的極性化學(xué)基團(tuán)的強(qiáng)度和濃度。由最終在玻璃上獲得的這一液滴所占據(jù)的面積粗略地是5cm2，因此液體介質(zhì)層的平均厚度是大約1mm。這一層是足夠的薄，對(duì)于可見光和近紫外光是透明的。取另一滴介質(zhì)來分析在照射之前它的磁性質(zhì)。
(e)在步驟(d)中形成的液體層通過使用來自具有100-120瓦特的電功率，和3-4cm的燈泡長度的大功率水銀燈的非過濾光進(jìn)行輻射10-15分鐘。該燈產(chǎn)生寬的電磁輻射譜，和在燈泡和液體層表面之間的距離是大約10cm。
由于燈的高功率，樣品的溫度稍微地提高。在接受輻射的過程中估計(jì)的溫度是大約40℃。在照射之后該介質(zhì)變得比以前稍微更粘性。
在步驟2完成后，剩余介質(zhì)變成微弱的淺黃色，表明在這一步驟2中在具有高偶極矩的化學(xué)基團(tuán)存在下在介質(zhì)中誘導(dǎo)了更完全的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，并且已經(jīng)形成了正的大分子離子(“大離子”)和自由電子。
步驟3形成量子納米電線進(jìn)行這一步驟以允許介質(zhì)形成一種相，在其中大分子物質(zhì)的含量超過5wt％以使得該自由電子形成量子納米電線。
(f)在輻射完成之后，制備粘性-液體介質(zhì)的五個(gè)樣品以測(cè)量它們的磁性質(zhì)。各樣品是借助于玻璃刀從玻璃表面上取得的介質(zhì)滴并放入由銅箔制成的小鏟斗中。全部鏟斗的磁性預(yù)先通過將它們放入磁強(qiáng)計(jì)中來進(jìn)行測(cè)量，確信它不含有磁性污染物。具有污染物的任何鏟斗被廢棄。
樣品的初始質(zhì)量是在范圍0.025-0.05克內(nèi)變化和樣品的質(zhì)量逐漸隨時(shí)間變化，這歸因于低分子量溶劑的緩慢蒸發(fā)。樣品制備和它們的小心的稱重量花費(fèi)大約40分鐘。各樣品的室溫磁測(cè)量值是在范圍0.01-6.8 KGauss內(nèi)，并且花費(fèi)大約25-30分鐘。
(g)在(a)，(c)和(d)各點(diǎn)的末尾中取得的中間體樣品顯示了與組分的已知磁性一致的正常較低的抗磁性響應(yīng)。因此，全部所使用的化學(xué)品不會(huì)引起對(duì)介質(zhì)的磁性污染。
在f)點(diǎn)的末尾中測(cè)量的全部五個(gè)最終樣品顯示了強(qiáng)的鐵磁性響應(yīng)。鐵磁性響應(yīng)對(duì)應(yīng)于假設(shè)介質(zhì)密度是大約1克×cm-3時(shí)所計(jì)算的在1.3×1018/每克的范圍內(nèi)或在大約1.3×1018cm-3內(nèi)的集體化的電子自旋濃度(即自由電子濃度)。不平常的高自由電子密度是量子納米電線的特征標(biāo)記。該高電子密度的存在證明了在步驟3的f)點(diǎn)時(shí)在介質(zhì)中它們的形成。
(h)第二天，對(duì)同一樣品進(jìn)行測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)了平均10-15％的鐵磁性信號(hào)的輕微提高，這歸因于溶劑從粘性-液體介質(zhì)中的繼續(xù)蒸發(fā)。鐵磁性信號(hào)的增加與集體化自旋的濃度的增加相關(guān)聯(lián)，這涉及到超過40％的質(zhì)量(或體積)。
最終的物質(zhì)是粘性液體，在介質(zhì)中沒有相分離，因此沒有楊氏模量。而且，這一材料含有穩(wěn)定的量子納米電線和至少30-35wt％的大分子物質(zhì)濃度。
在下面的進(jìn)一步描述中，我們將提供本發(fā)明的其它實(shí)施方案的敘述。然而，還會(huì)提供一些細(xì)節(jié)，只要它們與上述的那些顯著地不同。
實(shí)施例No2在低粘度聚(N，N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯)中的超導(dǎo)的納米電線在其它實(shí)施方案中，聚合物基質(zhì)也與實(shí)施例No1相同，唯一差異是甲苯的初始量。在這一實(shí)施例中，甲苯的量是48克和聚合物在溶液中的起始濃度是大約2wt％。
最終樣品(步驟3，g)的分析顯示量子納米電線的鐵磁性標(biāo)記特征。當(dāng)溶劑被蒸發(fā)和大分子在介質(zhì)中的濃度超過5-6wt％時(shí)，提供特征鐵磁性性能的納米電線就出現(xiàn)了。與實(shí)施例No1一樣，實(shí)施例No2是液體，因此，沒有楊氏模量。
實(shí)施例No1和2是液體，不管在所使用的有機(jī)溶劑(甲苯)的初始量中的差異。因此，很明顯，以類似方式，但使用為實(shí)施例No1和2所用的量之間的溶劑中間體的量，所制得的產(chǎn)物也是液體。
實(shí)施例No3在液晶S聚合物中的超導(dǎo)的納米電線在實(shí)施例No3，使用共聚物，它結(jié)合了二甲基氨基乙基-甲基丙烯酸酯(或二甲基氨基乙基-丙烯酸酯)和內(nèi)消旋配合基團(tuán)(x)的連接體，如下所示。
在特定的實(shí)施方案中，我們從上述通式4中選擇如下的特定物質(zhì)表IV實(shí)施方案1-4的用于超導(dǎo)的超極化子的有機(jī)分子
內(nèi)消旋配合基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)可依據(jù)指數(shù)n的選擇和取代基Y、Z和M來變化。包括在聚合物鏈中的此類基團(tuán)已知可形成聚合物液晶結(jié)構(gòu)。在共聚物中保存了相同的能力，如果由比率Q＝x∶(x+m)表示的內(nèi)消旋配合基團(tuán)的濃度是足夠的高。
在實(shí)施例No3中，該共聚物按照與實(shí)施例No1和2同樣的方式進(jìn)行處理，以形成在從0.01到大約1的內(nèi)消旋配合基團(tuán)的寬范圍濃度(“Q”)的量子納米電線。在濃度Q＞25％的范圍內(nèi)，在接近室溫下分析的最終材料被發(fā)現(xiàn)將穩(wěn)定的納米電線與占據(jù)高于85-90％的材料體積的聚合物液晶態(tài)相結(jié)合，如果在溶劑的部分蒸發(fā)之后，大分子物質(zhì)的含量超過50wt％。
實(shí)施例No4在其它共聚合聚合物中的超導(dǎo)的納米電線在實(shí)施例No4，所使用共聚物包括二甲基氨基乙基-甲基丙烯酸酯(或二甲基氨基乙基-丙烯酸酯)的連接基(links)和丙烯酸己基酯的連接基。納米電線的形成得以進(jìn)行，如果丙烯酸己基酯連接基(links)的含量超過80％。
在實(shí)施例No4中獲得的材料在兩方面不同于前面的材料a)它是無定形的，和b)在Q＞80％下它具有低于室溫的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。因此，在室溫下它是液體，不是固體，和因此沒有楊氏模量。
對(duì)于在溶液中低濃度(＜5wt％)的大分子物質(zhì)下所制得的某些量子納米電線的制造的特征能夠是，所產(chǎn)生的自由電子的濃度可以不足以形成一定數(shù)量的量子納米電線，該數(shù)量足以用磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)出來。
因此，至少一種的下列方法可用于提高自由電子的濃度。首先，能夠進(jìn)行多余溶劑的蒸發(fā)，與在實(shí)施例No1-4中所述的制造超導(dǎo)元件中一樣。其次，大分子物質(zhì)的溶解度能夠通過添加聚合物分子的沉降劑來減少。該沉降劑的化學(xué)性質(zhì)能夠在一種情況下與另一種情況下不同，并且應(yīng)該根據(jù)所使用聚合物的具體化學(xué)結(jié)構(gòu)來獨(dú)自選擇。通常，使用較弱的溶劑。例如，以醇如甲醇代替甲苯能夠適合于聚(丙烯酸酯)型聚合物和共聚物的沉降。
因?yàn)槌两蛋l(fā)生在溶液中，含有大離子和自由電子的沉淀物是處在燒瓶的底部并形成了出現(xiàn)量子納米電線的分離的亞相。使用磁力測(cè)定方法能夠獲得可檢測(cè)的納米電線的量，當(dāng)在亞相中大分子物質(zhì)的濃度超過大約5wt％時(shí)。
在其他產(chǎn)品中，金屬鈉能夠用作摻雜劑，代替鉀。在制造量子納米電線的方法中的唯一差異是，步驟1，點(diǎn)c)應(yīng)該在高于100℃的溫度下進(jìn)行，因?yàn)殁c在97.8℃下熔化。
D.用低分子量有機(jī)離子制造的量子納米電線在下述的材料中，制造方法基本上類似于在實(shí)施例1-4中描述的那些。因此，在下面的描述中，僅僅描述不同的那些細(xì)節(jié)。意思相反的特定信息的不存在意味著相應(yīng)步驟與實(shí)施例1-4相同。
通常，為了制造在實(shí)施例5-7中描述的量子納米電線，根據(jù)以上步驟1形成了介質(zhì)，并根據(jù)步驟1(c)用堿金屬摻雜，和根據(jù)步驟2進(jìn)行處理，但是在形成自由電子的步驟中不含有大分子物質(zhì)。
在步驟3之后形成了大分子物質(zhì)。
實(shí)施例No5-7這三種類型的實(shí)施方案和方法的敘述一起提供，因?yàn)樵谒鼈冎g的唯一差異是不同的有機(jī)單體用作形成液體介質(zhì)的起始原料。在中間體和/或最終產(chǎn)品的性能上的差異將在適當(dāng)位置中指出，其中在起始原料之間的差異是重要的。
步驟1形成包括低分子量物質(zhì)和摻雜劑的液體介質(zhì)(a)在實(shí)施例5，6或7中描述的實(shí)施方案當(dāng)中的每一種的溶液是通過添加甲苯和下面所列的相應(yīng)低分子量單體No1(#1；Mw＝431amu)，No2(#2，Mw＝157amu)和No3(#3，Mw＝226amu)，從下面作為離子形成物質(zhì)的以No1、2和3所顯示的有機(jī)單體制備。溶液的濃度分別是8wt％，2.9wt％和4.2wt％，使得全部溶液的摩爾濃度是近似相等。這些單體和甲苯的溶液是在65℃下制得。
(b)各溶液用金屬鈉摻雜。鈉的最后濃度是在0.1-0.5wt％之間。單體No1和2的溶液完全地溶解該鈉和甚至在大約60℃(低于鈉的熔點(diǎn))下也容易溶解，但是在單體#3的溶液中甚至在溫度提高到鈉的熔點(diǎn)以上之后鈉僅僅部分地溶解。在步驟1結(jié)束之后，全部三種溶液具有類似的淺紅棕色，這是鈉摻雜劑和單體的復(fù)合物的形成的指征。
步驟2產(chǎn)生低分子量離子和自由電子步驟2是與實(shí)施例No 1-4中同樣地進(jìn)行步驟2在介質(zhì)中在具有高偶極矩的化學(xué)基團(tuán)的有機(jī)單體與摻雜劑之間誘導(dǎo)更完全的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而產(chǎn)生低分子量有機(jī)離子和自由電子。
(c)單體No 1，2和3在它們的如上所示的化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有極性基團(tuán)。該極性基團(tuán)是在單體No1中的酯、酮和氨基，在單體No2中的酯和氨基，和在單體No3中的酯基。因?yàn)樵趩误wNo.1中的酮基，沒有必要將丙酮加入到這一混合物中。少量(大約0.1wt％)的丙酮被加入到溶液No2和3中。
(d)在攪拌的同時(shí)，溶液直接在玻璃燒瓶中用水銀燈進(jìn)行輻射。該燒瓶可作為濾光器，后者除去輻射譜的遠(yuǎn)UV部分并防止過早的聚合。照射的全部其它條件與以上實(shí)施例No1-4中相同。
在步驟2完成之后在燒瓶中的液體的顏色是淺黃色，表明發(fā)生了更完全的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，導(dǎo)致低分子量化學(xué)物的離子化和溶劑化形式的自由電子的出現(xiàn)。
步驟3形成量子納米電線進(jìn)行步驟3，形成了包括大分子物質(zhì)的相，該大分子物質(zhì)包括來源于低分子量離子的離子化化學(xué)基團(tuán)。在相中的含量大于5wt％而使得自由電子形成量子納米電線。
(e)溶液是從玻璃燒瓶中轉(zhuǎn)移到石英燒瓶中，因?yàn)槭?duì)于被用于引發(fā)本體聚合的紫外線輻射是透明的。在添加溶液到該燒瓶中之前，該燒瓶被加熱15分鐘以蒸發(fā)少量的甲苯，以及除去任何痕量的空氣和/或水。
在攪拌下溶液用電磁輻射進(jìn)行照射，與以前一樣使用相同的水銀燈。該聚合過程花費(fèi)15-18個(gè)小時(shí)以導(dǎo)致溶液粘度的表觀提高。
所獲得的粘性-液體介質(zhì)含有溶劑，痕量的非聚合的低分子量組分和大分子物質(zhì)，其中包括來源于在步驟2中產(chǎn)生的低分子量離子的離子化單元。
因?yàn)樵谌芤褐锌傮w電中性的要求，該自由電子在被大分子物質(zhì)所溶劑化后而存在。
(f)對(duì)于在實(shí)施例5-7中描述的全部三種材料，從各步驟收集的粘性相的樣品進(jìn)行磁測(cè)量。量子納米電線的鐵磁性標(biāo)記特征可在由單體No1制成的聚合物介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單體的起始含量大于5wt％時(shí)。由單體No2制成的聚合物介質(zhì)的樣品在充分地蒸發(fā)溶劑之后和在大分子物質(zhì)的含量變得高于6-8wt％之后顯示出了量子納米電線的類似特征。在兩種情況下，甚至在溶劑的完全蒸發(fā)之前，集體化電子自旋(即自由電子)的平均濃度是在1-2×1018cm-3之間。對(duì)于由單體No3制成的試樣，僅僅在分析的介質(zhì)中大分子物質(zhì)的含量超過40wt％后才出現(xiàn)了量子納米電線的特征性標(biāo)記。該結(jié)果與在步驟1中單體No3溶解鈉摻雜劑的降低能力有關(guān)。
材料No 5、6和7的相應(yīng)最終無定形聚合物具有不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，其中Tg1＞Tg2＞Tg3。這些產(chǎn)物中的每一種是粘性液體，因此沒有楊氏模量。
能夠領(lǐng)會(huì)到，這里所提供的特定實(shí)施方案的描述僅僅是為了舉例說明的目的。通過使用本發(fā)明的教導(dǎo)，其它實(shí)施方案是可能的和能夠容易地制造，并且是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，所建議的作用機(jī)理和可操作性的理論沒有限制意義。相反地，其它機(jī)構(gòu)和理論有可能解釋本發(fā)明的可操作性，而且這些機(jī)理和理論也包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。這里所列舉的全部參考文獻(xiàn)被全部引入供參考。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的量子納米電線在要求小尺寸和低電耗特征的電子學(xué)，半導(dǎo)體制造，生物傳感器，轉(zhuǎn)換器，馬達(dá)和其它設(shè)備中有很寬的適用性。
權(quán)利要求
1.一種具有至少一個(gè)量子納米電線的組合物，該量子納米電線包括(a)大分子基質(zhì)；(b)偶極子的源；(c)摻雜劑；和(d)至少一個(gè)自由電子。
2.一種具有至少一個(gè)量子納米電線的組合物，該量子納米電線包括(a)包括偶極子的大分子基質(zhì)；(b)摻雜劑；和(c)至少一個(gè)自由電子。
3.按照權(quán)利要求1的組合物，其中該組合物的至少一部分包括至少一個(gè)離子和至少一個(gè)溶劑化的自由電子。
4.按照權(quán)利要求1的組合物，其中該量子納米電線具有大于約107A/cm2的載流容量。
5.一種在介質(zhì)中制造量子納米電線的方法，該方法包括以下步驟(a)形成包括包含偶極子的大分子物質(zhì)的粘性介質(zhì)；(b)添加摻雜劑；(c)在所述大分子物質(zhì)和所述摻雜劑之間進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，產(chǎn)生至少一個(gè)離子和至少一個(gè)自由電子；和(d)使所述的大分子物質(zhì)，所述的離子，所述的電子和所述的摻雜劑在所述的介質(zhì)中形成量子納米電線。
6.一種在基質(zhì)中制造量子納米電線的方法，該方法包括以下步驟(a)形成包括大分子物質(zhì)的粘性介質(zhì)；(b)將偶極子的源添加到該介質(zhì)中；(c)將摻雜劑添加到該介質(zhì)中；(d)使之進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，在該介質(zhì)中產(chǎn)生至少一個(gè)離子和至少一個(gè)自由電子；和(e)使該介質(zhì)在該基質(zhì)中形成所述的量子納米電線。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其中在所述的偶極子的源和所述的摻雜劑之間發(fā)生所述的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)。
8.按照權(quán)利要求5的方法，另外包括使所述的介質(zhì)發(fā)生固化的步驟。
9.一種生產(chǎn)量子納米電線的方法，包括以下步驟(a)形成包括低分子量物質(zhì)的粘性介質(zhì)；(b)添加摻雜劑；(c)使在所述的低分子量物質(zhì)和所述的摻雜劑之間進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，產(chǎn)生至少一個(gè)離子和至少一個(gè)自由電子；和(d)使該至少一個(gè)離子，該至少一個(gè)電子和該介質(zhì)形成大分子物質(zhì)和所述的量子納米電線。
10.按照權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括添加偶極子的源的步驟。
11.按照權(quán)利要求9的方法，其中所述的低分子物質(zhì)在該介質(zhì)中的重量百分率是大約5％或更大。
12.一種材料，該材料包括(a)絕緣基質(zhì)；和(b)多個(gè)量子納米電線，它具有大于約107A/cm2的載流容量。
13.按照權(quán)利要求12的材料，其中該載流容量在約0開氏溫度到基質(zhì)的分解溫度之間的溫度范圍內(nèi)是大于約107A/cm2。
14.按照權(quán)利要求9的方法，其中在該步驟(d)中，該載流容量是大于約107A/cm2。
全文摘要
在介質(zhì)中制造量子納米電線，它包括離子、摻雜劑和自由電子，其中該自由電子被離子和摻雜劑的復(fù)合物所溶劑化。量子納米電線的導(dǎo)電性能夠高于普通的金屬導(dǎo)體。量子納米電線能夠以線性或環(huán)形形式制造，并可用于制造電組件，其中包括晶體管，傳感器，馬達(dá)和其它納米尺寸電子組件，其中包括晶體管，傳感器，馬達(dá)和其它納米尺寸的無源或有源器件。納米尺寸設(shè)備能夠在液體，半固體，或固體介質(zhì)中制造。為量子納米電線的制造和從它制得的設(shè)備的制造提供了一些方法。該設(shè)備可用于計(jì)算機(jī)，電子電路，生物植入物和其它產(chǎn)品的制造中。
文檔編號(hào)H01L51/00GK1498416SQ02807036
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2002年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月23日
發(fā)明者雷薩·塔羅茲, 雷薩 塔羅茲, 利奧尼德·N·格里戈羅夫, 德 N 格里戈羅夫 申請(qǐng)人:量子聚合物技術(shù)有限公司